Beschreibung Sicherheitsrelais Die Erfindung betrifft ein Relais mit einem Grundkörper, der eine Grundebene festlegt, einem auf dem Grundkörper angeord- neten Magnetsystem mit Spule, Kern und Anker, mit mindestens einem Schließer-Kontaktfederpaar und mindestens einem Öffner- Kontaktfederpaar, wobei jedes Kontaktfederpaar eine aktive und eine passive Kontaktfeder umfaßt und wobei jede Kontakt- feder senkrecht zur Grundebene stehend in dem Grundkörper be- festigt ist und an ihrem von dem Grundkörper entfernten Ende ein Kontaktstück trägt, und mit einem Betatigungs-Schieber, der parallel zur Grundebene bewegbar ist und an jeder beweg- lichen Kontaktfeder jeweils in der Nähe des Kontaktstückes angreift.

Ein derartiges Relais mit zwangsgeführten Kontakten ist aus der DE 195 40 739 A1 bekannt. Dort sind die einzelnen Kon- taktfedern gegeneinander isoliert angeordnet, wobei auch be- sondere konstruktive Vorkehrungen gegen Kurzschlüsse für den Fall getroffen sind, daß sich Kontaktstücke von den Kontakt- federn ablösen. Bei diesem bekannten Relais werden die akti- ven Kontaktfedern unterhalb der Kontaktstücke in seitlich of- fenen Schlitzen eines Schiebers geführt und betätigt. Seit- lich offene Betätigungsabschnitte verändern jedoch die Stabi- lität des Schiebers, so daß derartige Schieber bereits bei der Herstellung zum Verzug neigen und auch in Betrieb nicht die optimale Formgenauigkeit behalten. Ein weiteres Problem bei derartigen Relaiskonstruktionen besteht darin, daß die Kraft zum Öffnen der Öffnerfedern zu Beginn der Anzugsbewe- gung des Ankers überwunden werden muß, während die Kraft zum Schließen der Schließerkontakte gegen Ende der Ankeranzugsbe- wegung anfällt. Da die Kraft eines Elektromagnetsystems aber zu Beginn der Ankeranzugsbewegung gering ist und erst gegen Ende der Anzugsbewegung, wenn der Arbeitsluftspalt nahezu ge- schlossen ist, stark ansteigt, ist die Aufbringung der Off-

nerkraft ein Problem, das in der Regel durch eine starke Di- mensionierung des Magnetsystems gelöst wird, wobei diese Uberdimensionierung für das Schließen der Schließerkontakte nicht erforderlich wäre.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Relais der ein- gangs genannten Art konstruktiv so zu gestalten, daß die Fe- derkennlinie besser an die Kennlinie des Magnetsystems ange- paßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Schieber an den aktiven Öffner-Kontaktfedern mit einem ande- ren Abstand bezüglich der Befestigung im Grundkörper angreift als an den aktiven Schließer-Kontaktfedern.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung eines Schiebers mit un- terschiedlichen Angriffspunkten an den Öffnerkontaktfedern bzw. den Schließerkontaktfedern bezüglich deren Einspannung im Grundkörper wird erreicht, daß die Öffnerkontakte mit mög- lichst geringer Kraft und langem Weg geöffnet werden, während die Schließerkontakte mit kurzem Hebelarm auf kurzem Wege ge- schlossen werden. Auf diese Weise wird also die für das Off- nen der Öffnerkontakte aufzubringende Kraft an die zu Beginn der Anzugsbewegung geringere Kraft des Magnetsystems ange- paßt, während die hohe Magnetkraft am Schluß des Anzugsbewe- gung des Ankers ausreicht, die Schließerkontakte auf kurzem Wege, also mit geringem Hebelarm, zu betätigen. Das Ergebnis ist eine insgesamt genauere Anpassung der Federkennlinie an die Magnetsystemkennlinie, so daß das Magnetsystem selbst re- lativ gering dimensioniert werden.

In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relais kann weiterhin vorgesehen werden, daß alle aktiven Kontaktfe- dern baugleich sind, so daß weder die aktiven Öffnerkontakt- federn noch die aktiven Schließerkontaktfedern in Richtung auf die zugehörigen passiven Kontaktfedern vorgespannt sind.

Die Öffnerkontaktfedern werden dann durch eine Ankerfeder be-

tätigt, während die Schließerkontaktfeder durch das Magnetsy- stem betätigt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprü- chen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ein erfindungsgemäß gestaltetes Relais in Eplosions- darstellung, Figur 2 das Relais von Figur 1 in zusammengebautem Zustand, mit teilweise ausgeschnittenem Schieber und ohne Kappe, in perspektivischer Darstellung, Figur 3 das Relais von Figur 2 in einer gedrehten perspekti- vischen Darstellung, Figur 4 das Relais von Figur 1 bis 3 in Seitenansicht, teil- weise längsgeschnitten, Figur 5 und 6 den Schieber des Relais von Figur 1 bis 4 in zwei perspektivischen Ansichten und Figur 7 ein Diagramm zur Darstellung des grundsätzlichen Ver- laufs der Kraft-Weg-Kennlinien des Magnetsystems und der Fe- dern des Relais.

Das in den Figuren 1 bis 6 dargestellte Relais besitzt einen Grundkörper 1 aus Isolierstoff, der im wesentlichen flach ge- staltet ist und eine Bodenseite 10 definiert und mit einer Kappe 2 ein geschlossenes Gehäuse bildet. Der Grundkörper 1 besitzt eine flache, wannenförmige Ausnehmung 11 zur Aufnahme eines Magnetsystems, während der übrige Teil mit emporgezoge- nen Seitenwänden 12, einer Längs-Zwischenwand 13 und Querwän- den 14 zwei Reihen von Kontaktträgerkammern 15 bildet. Diese Kontakträgerkammern 15 sind nach unten schlitzförmig zu Steckkanälen 16 verengt (siehe Figur 4), um jeweils von oben, senkrecht zur Grundebene 10, einsteckbare Festkontaktträger 21 oder Kontaktfederträger 22 aufzunehmen. Die Festkontakt- träger 21 bilden an ihren freien Enden jeweils passive (bzw.

feststehende) Kontaktfedern 23 mit daran befestigten Festkon- taktstücken 24, während an den Kontaktfederträgern 22 jeweils aktive (bzw. bewegliche) Kontaktfedern 25 mit an deren freien Enden befestigten beweglichen Kontaktstücken 26 befestigt sind.

Das zur Betätigung des Relais dienende Magnetsystem besitzt ein U-förmiges Kernjoch 31 mit einem Kernschenkel 32 und ei- nem Jochschenkel 33. Ein Spulenkörper 34 trägt eine Erreger- spule 35 und nimmt in einer axialen Durchgangsöffnung den Kernschenkel 32 auf. Da dieser wegen der begrenzten Spulen- breite eine geringere Breite aufweist als der Jochschenkel 33, ist ein zusätzlicher Flußführungsteil 36 zusammen mit dem Kernschenkel 32 in das Spuleninnere eingeschoben. Auf diese Weise wird der Eisenquerschnitt innerhalb der Spule ebenso vergrößert wie die Polfläche 32a bzw. 36a, mit der ein Anker 37 zusammenwirkt. Dieser Anker ist mit Hilfe einer Ankerfeder 38 am freien Ende des Jochschenkels 33 gelagert und bildet mit den Polflächen 32a, 36a in üblicher Weise einen Arbeits- luftspalt. Zwei Rückstellschenkel 39 der Ankerfeder 38 erzeu- gen die Ruhestellung der Kontakte bei nichterregtem Zustand des Magnetsystems.

Die Bewegung des Ankers 37 wird über einen Ankerfortsatz 37a auf einen Schieber 40 und über diesen auf die aktiven Kon- taktfedern 25 übertragen. Da die Kontaktfedern auf der dem Anker entgegengesetzten Seite des Magnetsystems angeordnet sind, besitzt der Schieber einen sich oberhalb der Spule er- streckenden Verbindungsabschnitt 41, an den sich ein nach un- ten in Richtung auf die Bodenebene stufenartig abgesetzter Betätigungsabschnitt 42 anschließt. Dieser Betätigungsab- schnitt bildet mit einer mittigen Längswand 43 sowie Seiten- wänden 44 und Querwänden 45 und 46 jeweils Rahmen für jede einzelne Kontaktfeder, die diese Kontaktfedern, mit Ausnahme der jeweils ersten passiven Kontaktfedern 24R und der jeweils letzten passiven Kontaktfedern 23R und 23A2, die in den End- bereichen des Betätigungsabschnittes 42 des Schiebers 40 lie-

gen und deshalb nach einer Seite jeweils keine Abschirmung zu einer benachbarten Kontaktfeder benötigen. Zur Erläuterung sei hier angemerkt, daß die aktiven und passiven Kontaktfedern 25 und 23 in Figur 4 zur Bezeichnung der Kontaktart mit Zusatz- bezeichnungen versehen sind, also 23A1,23A2 für passive Ar- beitskontaktfedern (SchließerkontaktSedern), 23R für passive Ruhekontaktfedern (Öffnerkontaktfedern), 25A1 und 25A2 fur aktive Arbeitskontaktfedern (Schließerkontaktfedern) und 25R für aktive Ruhekontaktfedern (Öffnerkontaktfedern). Innerhalb der durch Trennwände 43,44,45 und 46 gebildeten Rahmen des Schiebers 40 sind jeweils Fenster 47 für die aktiven Kontakt- federn sowie Fenster 48 für die passiven Kontaktfedern ausge- spart. Die jeweiligen passiven Kontaktfedern 23 und aktiven Kontaktfedern 25 ragen durch diese Fenster 46 bzw. 47 hin- durch, so daß sich die Kontaktstücke 24 bzw. 26 tragenden En- den jeweils oberhalb des Betätigungsabschnittes 42 des Schie- bers und im wesentlichen innerhalb der durch Trennwände 43,44,45 und 46 gebildeten Rahmen befinden.

Diejenigen Querwände bzw. Sperrwände 46, welche jeweils zu- sammenwirkende aktive und passive Kontaktfedern trennen, be- sitzen jeweils einen annähernd halbkreisförmigen Ausschnitt 49 in Anpassung an die runde Kontur der Kontaktstücke. In diesem Ausschnitt 49 ist jeweils ein bewegliches Kontaktstück 26 der aktiven Kontaktfedern 25 geführt. Dadurch kann die ak- tive Kontaktfeder selbst nahe an der Sperrwand 46 bzw. einer von der Sperrwand vortretenden Sperr-Rippe 50 anliegen. Au- ßerdem bildet der Schieber jeweils von den Seitenwänden 44 nach innen vorstehende Betätigungsnasen 52, die in unter- schiedlicher Höhe jeweils die aktiven Arbeitskontaktfedern bzw. die aktiven Ruhekontaktfedern betätigen. Die aktiven Kontaktfedern sind dabei jeweils innerhalb des Fensters 47 angeordnet und zwischen der jeweiligen Sperr-Rippe 50 und der zugehörigen Betätigungsnase 51 oder 52 mit engem Spiel ge- führt. Dadurch werden beim Verschweißen eines Kontaktes auch alle übrigen aktiven Kontaktfedern gegen eine weitere Schalt- betätigung gesperrt.

Bei der Montage des Relais wird zunächst das zusammengebaute Magnetsystem in die Ausnehmung 11 des Grundkörpers 1 einge- setzt, wobei die Ankerfeder 38 zwischen dem Jochschenkel 33 und dem Grundkörper befestigt wird. Auf das Magnetsystem wird der Schieber 40 mit seinem Verbindungsabschnitt 41 aufge- setzt, wobei die Rückstellschenkel 39 der Ankerfeder 38 in die Durchbrüche 41a des Schiebers eingehängt werden. Der An- ker selbst wird dabei am Jochschenkel 33 gelagert und mit seinem Fortsatz 37a in den Durchbruch 41b des Schiebers 40 eingehängt.

Nach der Montage des Schiebers 40, der mit der Längstrennwand 43 auf der Längswand 13 und mit den Längswänden 44 auf den Seitenwänden 12 des Grundkörpers 1 sitzt, werden die Kontakt- federn montiert. Dabei werden alle Kontaktfedern durch die entsprechenden Fenster 47 und 48 des Schiebers hindurch in die Kammern 15 des Grundkörpers eingesetzt und in den Steck- schlitzen 16 befestigt. Alle Festkontaktträger 21 mit den passiven Kontaktfedern 23 sind gleich aufgebaut und gerade, so daß sie senkrecht zur Grundebene in den Grundkörper einge- steckt werden können. Auch alle aktiven Kontaktfedern 25 mit ihren Kontaktfederträgern 22 sind gleich aufgebaut und gera- de, so daß sie unabhängig von ihrer Funktion als Arbeitskon- taktfedern 25A1,25A2 oder Ruhekontaktfedern 25R senkrecht zur Grundebene durch die zugehörigen Fenster 47 des Schiebers eingesetzt werden können. Der Schieber 40 wird zu diesem Zweck entgegen der Vorspannung der Ankerfeder 38 in einer Mittelposition gehalten.

Alle Kontaktfedern müssen bei dieser Konstruktion von oben durch den bereits montierten Schieber 40 in den Grundkörper eingesteckt werden, weil die Endabschnitte der Kontaktfedern, zumindest die der aktiven Kontaktfedern 25 mit den Kontakt- stücken 26 einen größeren Querschnitt aufweisen als die Fen- ster 47, so daß der Schieber nicht nachträglich von oben über die Kontaktfedern gesteckt werden kann. Durch diese Größen- verhältnisse erhält einerseits der Schieber seine Stabilität

aufgrund der geschlossenen Rahmen um die Kontaktfedern herum, andererseits kann ein abgebrochenes Kontaktstück nicht durch ein Fenster 47 nach unten in eine Federkammer fallen und dort gegebenenfalls einen Kurzschluß verursachen.

Im unerregten Zustand des Magnetsystems wird der Schieber durch die Rückstellkraft der Ankerfeder 38 in die Ruhepositi- on gezogen, das heißt in Figur 4 nach rechts. Dabei werden die im entspannten Zustand geraden Ruhekontaktfedern 25R nach rechts in die in Figur 4 gezeigte Position gezogen, so daß sie mit der passiven Ruhekontaktfeder 23R Kontakt gibt.

Bei Erregung des Magnetsystems wird der Schieber in Figur 4 nach links bewegt, die aktive Ruhekontaktfeder 25R wird von der passiven Ruhekontaktfeder 23R abgehoben und durch die Sperr-Rippe 50R in ihre geöffnete Arbeitsposition bewegt. Zu- gleich greift der Schieber mit den Betätigungsnasen 51 seit- lich an den aktiven Arbeitskontaktfedern 25A1 und 25A2 an und bewegt diese in Richtung auf die passiven Arbeitskontaktfe- dern 23A1 und 23A2, bis die entsprechenden Arbeitskontakte geschlossen sind. Beim Abschalten der Erregung stellt die Ankerfeder 38 den Ruhezustand wieder her, wobei der Schieber 40 über die Betätigungsnasen 52 seitlich der Kontaktstücke 26R angreift und die Ruhekontakte schließt. Verschweißt einer der Kontakte, so wird über die enge Führung der aktiven Kon- taktfedern 25 sichergestellt, daß eine weitere Bewegung des Schiebers 40 und damit eine weitere Betätigung der übrigen Kontakte gesperrt wird. Verschweißt beispielsweise ein Ruhe- kontakt, so wird über die Sperr-Rippe 50R, die unmittelbar neben dem Kontaktstück angreift, der Schieber gegen weitere Bewegung gesperrt. Die Arbeitskontakte können also nicht schließen. Verschweißt dagegen ein Arbeitskontakt, so wird ebenfalls über die neben dem verschweißten Kontakt an der zu- gehörigen Kontaktfeder angreifende Sperr-Rippe 50A eine Rück- stellung des Schiebers und eine Betätigung der Ruhekontakte verhindert.

Da außerdem alle aktiven Kontaktfedern gerade ausgebildet sind, wirken sie selbstöffnend. Bricht beispielsweise eine Betätigungsnase 51 oder 52 am Schieber, so öffnet die betref- fende aktive Kontaktfeder (Öffner) oder sie wird nicht ge- schlossen (beim Schließer). Bricht dagegen die Ankerfeder 38, so öffnen sich alle Ruhekontakte (Öffnerkontakte), und alle Schließer werden nicht mehr geschlossen.

Wie sich aus der Beschreibung und insbesondere aus den Figu- ren 4,5 und 6 ergibt, liegen die Betätigungsnasen 52 für die aktiven Ruhekontaktfedern 25R wesentlich höher bezüglich der Grundebene als die Betätigungsnasen 51 für die aktiven Ar- beitskontaktfedern 25A1 und 25A2. Dadurch ist die Kraft-Weg- Obersetzung bei den Arbeitskontakten und den Ruhekontakten unterschiedlich. Da das Magnetsystem jeweils in geschlossenem Zustand, das heißt bei angezogenem oder fast angezogenem An- ker, am stärksten ist, während bei abgefallenem Anker durch den großen Luftspalt die Kraft nur langsam ansteigt, muß nor- malerweise durch die Dimensionierung des Magnetsystems si- chergestellt werden, daß das Magnetsystem auch zu Beginn der Ankeranzugsbewegung genügend Kraft aufbringt, um die Ruhekon- takte in Richtung Öffnung zu betätigen und dabei die Rück- stellkraft der Ankerfeder zu überwinden. Durch die versetzte Anordnung der Betätigungspunkte bzw. der Betätigungsnasen 51 und 52 bezüglich der Grundebene wird nun erreicht, daß die aktiven Öffnerkontaktfedern mit geringerer Kraft und über ei- nen längeren Weg betätigt werden, während die aktiven Schlie- ßerkontaktfedern durch die kürzere Hebelübersetzung auf kur- zem Wege zum Schließen gebracht werden. In diesem Moment hat das Magnetsystem bereits mehr Kraft, da der Anker sich schon weitgehend an die Polfläche angenähert hat. Durch diese Maß- nahme läßt sich insbesondere bei der Konstruktion eines Si- cherheitsrelais, bei dem keine Umschaltkontakte, sondern ge- trennt betätigbare Öffner und Schließer verwendet werden, der Wirkungsgrad des Magnetsystems erhöhen, so daß dieses kleiner als sonst üblich dimensioniert werden kann.

Im Diagramm von Figur 7 ist die Anpassung der Kraft-Weg- Kennlinien gezeigt. Dabei bezeichnet f die Kennlinie der auf- summierten Federkräfte und m die Kennlinie des Magnetsystems.

Über dem Weg s, der die Ankerbewegung bzw. die Bewegung des Schiebers 40 zwischen der Ruheposition (in Figur 4 rechts bei geöffnetem Anker) und der Arbeitsposition (in Figur 4 links bei geschlossenem Anker) darstellt, sind die jeweils gegen- einander wirksamen Kräfte F aufgetragen. Im Ruhezustand be- findet sich der Schieber beispielsweise an der Stelle sl oder rechts davon, je nach Kontaktabbrand. Beim Anziehen des An- kers bewegt sich der Schieber nach links, wobei die Kraft m des Magnetsystems zunächst nur langsam ansteigt. In diesem Bereich bis s2 ist aber auch die zu überwindende Öffnerkraft (an der aktiven Ruhekontaktfeder bzw. der an diese angepaßten Ankerfeder) aufgrund der großen Hebelübersetzung noch relativ gering. Von s2 bis s3 ergibt sich durch die aktiven Arbeits- kontaktfedern eine stärker ansteigende Federkraft, die durch eine in diesem Bereich auch stärker ansteigende Magnetkraft m überwunden wird. Von s3 bis zum Anschlag steigen sowohl die Federkraft f als auch die Magnetkraft stark an. Dies ist der Bereich des Uberhubs bis zum Punkt s4.