DE102012106330B4

DE102012106330B4 - Spulenkern für elektromagnetischen Antrieb und selbiger sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012106330B4
Application number: DE102012106330.3A
Authority: DE
Inventors: Titus Ziegler
Original assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2032-07-14
Also published as: DE102012106330A1

Abstract

Spulenkern (3) für einen elektromagnetischen Antrieb (2) eines Relais (1), mit einem Schaft (30), der ein jochseitiges Ende (31) zur Anbringung an einem magnetischen Joch (5) des Antriebs (2) und ein ankerseitiges Ende (32) zur Anordnung an einem beweglichen Anker (6) des Antriebs (2) aufweist, wobei das ankerseitige Ende (32) mit einem Permanentmagneten (10) versehen ist und mit einem Polschuh (20), der an einer vom ankerseitigen Ende (32) wegweisenden Seite des Permanentmagneten (10) angeordnet ist, wobei der Polschuh (20) sich in Richtung seines vom Permanentmagneten (10) abgewandten Endes verjüngt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spulenkern für einen elektromagnetischen Antrieb eines Relais, mit einem Schaft, der ein jochseitiges Ende zur Anbringung an einem magnetischen Joch des Antriebs und ein ankerseitiges Ende zur Anordnung an einen beweglichen Anker des Antriebs aufweist, wobei das ankerseitige Ende mit einem Permanentmagneten versehen ist, und mit einem Polschuh, der an einer vom ankerseitigen Ende des Schaftes weg weisenden Seite des Permanentmagneten angeordnet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen elektromagnetischen Antrieb für ein Relais.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Antriebs für ein Relais, wobei ein Spulenkern in einem ersten Verfahrensschritt mit seinem jochseitigen Ende voran in einen Spulenkörper eingeschoben wird.
Spulenkerne, elektromagnetische Antriebe und Verfahren zu deren Herstellung der vorbenannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die elektromagnetischen Antriebe werden häufig in Relais eingesetzt, um in Relais über den Anker Arbeitskontakte von der sogenannten abgefallenen Stellung, in der sie von einander beabstandet sind, in die angezogene Stellung zu bewegen, in der sie elektrisch leitend aneinanderliegen. In monostabilen Relais verbleiben die Arbeitskontakte nach dem Wegfallen einer den Antrieb erregenden Steuerspannung nur stabil in der abgefallenen Stellung. Bei bistabilen Relais können die Arbeitskontakte an einen Wegfall der Steuerspannung sowohl in der angezogenen als auch der abgefallenen Stellung stabil verbleiben, weil sie in der Regel durch die Kraft eines Permanentmagneten in der angezogenen Stellung gehalten werden.
Um Kosten für die automatische Montage von Relais zu sparen, ist bekannt, bistabile Relais durch Modifikation monostabiler Relais bereitzustellen. Bei bekannten Vorgehensweisen dazu besteht jedoch der Nachteil, dass sehr große und damit teure Permanentmagneten verbaut werden müssen, um ein Eisenrückschluss des Antriebs in eine magnetische Sättigung zu treiben, welche die Bistabilität ermöglicht. Gleichzeitig erhöht sich mit zunehmender Größe der Permanentmagneten der Einfluss der Temperatur auf Betriebsspannungswerte des Antriebs.
Darüber hinaus ist beim Einsatz von Permanentmagneten zur Modifikation monostabiler Relais von Nachteil, dass in den Relais nur ein begrenzter Bauraum zur Unterbringung des Permanentmagneten zur Verfügung steht, so dass dieser die Magnetkräfte der monostabilen Variante meist nicht erzielen kann sowie der Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die Magnetkraft hoch ist. Es ist auch möglich, den Permanentmagneten zwischen dem jochseitigen Ende des Spulenkerns und dem Joch anzuordnen. Allerdings können dann (automatische) Montageverfahren zum Fügen von Kern und Joch sowie zur Justage in monostabilen Relais nicht mehr eingesetzt werden, weil sie den Permanentmagneten aufgrund seines spröden Materials sowie Klebungen zwischen Magnet, Kern und/oder Joch beschädigen könnten. Zudem ist aufgrund allgemeiner Verknappung von Ressourcen eine tendenziell stetige Steigerung der Kosten für Rohstoffe zur Herstellung von Permanentmagneten, wie beispielsweise seltene Erden, zu verzeichnen.
Gemäß der Druckschrift US 4 339 734 A wird ein ursprünglich monostabiles Relais in ein bistabiles Relais umfunktioniert, indem ein Permanentmagnet mit quer zur Bewegungsrichtung des Ankers ausgerichtetem Magnetfeld entweder zwischen dem Joch und dem Spulenkern oder zwischen dem Joch und dem Polschuh angeordnet wird. Die Druckschrift EP 0 686 989 B1 beschreibt ein bistabiles Relais mit einem Dauermagneten, dessen Querschnitt kleiner ist als der eines an ihn angrenzenden Abschnittes des Spulenkerns oder Joches. Die Druckschrift EP 0 732 717 A2 zeigt ein bistabiles Relais, bei dem ein Permanentmagnet einen an den Anker angrenzenden Teil des Joches bildet.
Ferner beschreibt die Druckschrift US 4 339 734 A , welche den nächstliegenden Stand der Technik darstellt, ein Relais mit einem Spulenkern, an dessen freien Ende ein Permanentmagnet angeordnet ist. Die Druckschrift DE 10 2005 030 046 A1 beschreibt ein elektromechanisches Öffnerrelais und ein Verfahren, mit dem Ströme geschaltet werden können. Die Druckschrift DE 10 2005 030 044 A1 betrifft ein Relais mit einem mit Klemmvorsprüngen versehenen Kern und Montageverfahren. Die Offenlegungsschrift DE 38 13 113 A1 beschreibt ein monostabiles elektromagnetisches Relais. Die Druckschrift EP 0 686 989 B1 beschreibt eine bistabile Schaltvorrichtung.
In Anbetracht der oben beschriebenen Nachteile bei der Modifikation monostabiler Relais zu bistabilen Relais liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, kostengünstige sowie kompakte bistabile Relais bereitzustellen, bei deren Herstellung für monostabile Relais gängige Montageprozesse verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird für den eingangs genannten Spulenkern erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Polschuh sich in Richtung seines vom Permanentmagneten abgewandten Endes verjüngt. In anderen Worten kann der Polschuh sich in Richtung des Ankers verjüngen.
Beim eingangs genannten elektromagnetischen Antrieb wird die Aufgabe durch einen erfindungsgemäßen Spulenkern gelöst.
In einem eingangs genannten Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem weiteren Verfahrensschritt ein ankerseitiges Ende des Spulenkerns mit einem Permanentmagneten versehen wird.
Die erfindungsgemäßen Lösungen haben den Vorteil, dass relativ kleine, beispielsweise scheibenförmige und/oder kreisrunde Permanentmagneten aus Ferrit und/oder seltenen Erden eingesetzt werden können, wodurch die Materialkosten für den Permanentmagneten und die Temperaturempfindlichkeit der Betriebsspannungen reduziert werden können. Die Toleranzempfindlichkeit eines erfindungsgemäß mit einem Permanentmagneten versehenen Spulenkern kann im Vergleich zu bekannten Anordnungen zur Kombination von Spulenkern und Permanentmagnet verbessert werden. Die Länge bzw. Außenabmaße eines erfindungsgemäß mit einem Permanentmagneten kombinierten Spulenkerns können denen eines Spulenkerns für ein monostabiles Relais entsprechen. Somit kann ein monostabiles Relais erfindungsgemäß einfach zu einem bistabilen Relais umgewandelt werden. Bekannte und kostengünstige (automatische) Montageprozesse zur Herstellung monostabiler Relais können bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen bistabilen Relais eingesetzt werden. Ein erfindungsgemäß eingesetzter Permanentmagnet kann höhere Magnetkräfte auswirken als gemäß dem Stand der Technik eingesetzte Permanentmagnete. Beispielsweise kann der Permanentmagnet an das ankerseitige Ende angeklebt sein, das in einer sich im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Spulenkerns erstreckenden Ebene liegen kann.
Permanentmagnet und/oder Polschuh können durch Kleben miteinander verbunden sein. Eine zum Permanentmagneten weisende Seite des Polschuhs kann eine größere Querschnittsfläche als der Permanentmagnet aufweisen. Durch den Polschuh kann ein magnetischer Nebenschluss zwischen Anker und Spulenkern erhöht werden. Somit können die Permanentmagnetkräfte bei geöffnetem bzw. abgeklapptem Anker verringert werden, die durch Rückstellkräfte, beispielsweise durch eine Rückstellfeder zum Öffnen bzw. Abklappen des Ankers, kompensiert werden müssen. Zudem können durch die Verwendung des Polschuhs und damit verbundene Erhöhung des magnetischen Nebenschlusses Fertigungstoleranzen erhöht werden, wobei sich jedoch die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Setzspannung, also der auf den Anker im geschlossenen Zustand wirkenden Permanentmagnetkraft erhöht. Beispielsweise kann der Polschuh aus gewalztem Material gestanzt sein, das in der Regel sehr geringe Dickentoleranzen aufweist, die üblicherweise kleiner sind als die eines beispielsweise als Fließpressteil hergestellten Schaftes bzw. Spulenkerns mit deutlich höherer Dicken- bzw. Längentoleranz. Die Verwendung des Polschuhs ist somit insbesondere von Vorteil ist, wenn der Permanentmagnet und/oder Polschuh nach der Justage des Schaftes bzw. Spulenkerns montiert werden soll.
Zur Verjüngung kann der Polschuh in Richtung des Permanentmagneten eine Querschnittsflächenerweiterung bzw. einen Kragen und/oder Absatz aufweisen. Die ankerseitige Polschuhfläche kann kleiner sein als die permanentmagnetseitige Polschuhfläche. Somit kann die ankerseitige Polschuhfläche einen geringeren Flächeninhalt als die permanentmagnetseitige Polschuhfläche aufweisen und den Magnetfluss konzentrieren. Als Magnetflusskonzentrator kann der Polschuh dabei helfen, das für den Permanentmagneten notwendige Material möglichst gering zu halten.
Die erfindungsgemäßen Lösungen können durch die folgenden weiteren, jeweils für sich vorteilhaften Ausführungsformen beliebig ergänzt und weiter verbessert werden:
Gemäß einer ersten vorteilhaften weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spulenkerns kann vorgesehen sein, dass das ankerseitige Ende des Schaftes mit einem Kragen versehen ist. Der Kragen kann sich beispielsweise im Wesentlichen kreisrund um das ankerseitige Ende erstrecken und einer Anschlagfläche bieten, welche die Montage des Spulenkerns vereinfacht.
Ein Querschnitt des Schaftes kann wenigstens in einer Richtung parallel zu einer Längserstreckung des Schaftes im Schatten eines Querschnittes des Permanentmagneten liegen. Mit anderen Worten kann eine Außenkontur des Schaftes in den Querschnitt des Permanentmagneten einschreibbar ausgestaltet sein. Eine im Wesentlichen quer zu einer Längsache des Spulenkerns gemessene Breite des Schafts kann kleiner sein als eine im Wesentlichen quer zur Längsachse gemessenen Breite des Permanentmagneten. Der Permanentmagnet kann also eine größere Polfläche aufweisen als der Spulenkernquerschnitt bzw. Schaft oder dessen dünnster Teil.
Das Material des Permanentmagneten hat in der Regel eine Remanenz von 1,0 bis 1,1 T (seltene Erden). Um Materialkosten zu sparen, kann ein dünner Permanentmagnet bzw. ein Permanentmagnet mit geringer Dicke gewählt werden, was zudem begünstigt, die Permanentmagnetkraft bei geöffnetem bzw. abgeklapptem Anker so gering wie möglich zu halten. In Folge der geringen Materialdicke werden beispielsweise nur ca. 0,8 bis 0,9 T magnetische Flussdichte an den Polflächen des Permanentmagneten erreicht. Hingegen kann der Schaft bzw. ein Eisenkern Flussdichten von 2 T transportieren bzw. eine Sättigungsflussdichte von 2 T aufweisen und für Flussdichten von 1,3 bis 1,6 T ausgelegt sein. Daher kann die Polfläche des Permanentmagneten bis in etwa doppelt so groß sein wie der Querschnitt des Schafts. Wenn als Permanentmagnet ein Ferritmagnet verwendet wird, kann dessen Querschnittsfläche aufgrund geringer Remanenz des Ferritmaterials bis um den Faktor 3 vergrößert werden. Somit kann ein Permanentmagnet einfach mit gängigen Schaftgeometrien kombiniert werden, ohne die Montage und/oder den Betrieb eines elektromagnetischen Antriebs mit erfindungsgemäß ausgestaltetem Spulenkern zu beeinträchtigen.
Der Permanentmagnet kann zwischen Polschuh und Spulenkern angeordnet sein. Somit kann der Polschuh den Permanentmagneten vor äußeren Einwirkungen, wie beim Anziehen eines Relais wirkenden Aufschlagkräften des Ankers, schützen.
Bei einem elektromagnetischen Antrieb kann die erfindungsgemäße Lösung dadurch weiter verbessert werden, dass der Schaft am Spulenkörper fixiert ist. Somit kann der Schaft auf den Spulenkern einwirkende Kräfte aufnehmen und zur mechanischen Befestigung des Spulenkerns dienen. Dadurch können der Permanentmagnet und/oder der Polschuh weitestgehend von Krafteinwirkungen, insbesondere quer zur Längsachse, freigehalten werden und müssen keine Funktion zur Befestigung des Spulenkernes erfüllen. Der Spulenkern kann in anderen Worten im Wesentlichen über den Schaft gehalten sein, was die Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Spulenkerns bzw. elektrischen Antriebs als Bausatz, insbesondere in Verbindung mit auch in monostabilen Relais einsetzbaren Spulen vereinfacht.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch weiter verbessern, dass der Spulenkern im Spulenkörper mit Hilfe einer Lehre justiert wird, deren im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Spulenkerns gemessene Dicke einer Dicke des Permanentmagneten zuzüglich/oder einer Dicke eines am Permanentmagneten anzubringenden Polschuhs entspricht. Die Dicke des Permanentmagneten und/oder des Polschuhs kann im Wesentlichen parallel zur Längsachse gemessen sein.
Beispielsweise kann der Schaft bzw. Spulenkern am Joch eingepresst oder angeschweißt sein, ohne damit verbundene Toleranzen, die sich auf die Länge des Spulenkerns bzw. Schafts auswirken, wie bisher im Stand der Technik üblich, durch Korrektur der Schaftlänge ausgleichen zu müssen. So werden gemäß dem Stand der Technik Schaftüberlängen beispielsweise durch mechanische Stauchung des Schafts kompensiert, wozu nach seiner Montage impulsartig auf den Schaft eingewirkt wird. Insbesondere die Verwendung des Polschuhs kann ermöglichen, die am ankerseitigen Schaftende einzukalkulierende Toleranzen zu verringern, wie oben beschrieben. Wenn beispielsweise Schaft, Permanentmagnet und Polschuh miteinander verklebt werden, können Fertigungstoleranzen trotz Aufbringung des Klebstoffs auf die jeweiligen Polflächen eingehalten werden, weil dieser in Poren und/oder Spalten der Materialien eindringen kann und die sich gegenüberliegenden Polflächen somit ohne wesentliche Längenänderung des gesamten Spulenkerns zusammengefügt werden können.
Durch die Verwendung der Lehre kann der Spulenkern auf einer Arbeitsstraße bzw. in einem Montageschritt mit dem Spulenkörper zusammengeführt werden, die bzw. der auch für monostabile Relais vorgesehen sein kann. Ein Spulenkern monostabiler Relais kann im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen, wie ein erfindungsgemäßer Spulenkern, bei dem zuzüglich zur Länge des Schaftes und, wo vorhanden, des Kragens, die Dicke des Permanentmagneten und/oder die Dicke des Polschuhs bei der Justage und Bemessung des Bauraums zu berücksichtigen sind bzw. ist.
Die obigen Ausführungen zu erfindungsgemäßen Spulenkernen und elektromagnetischen Anführungen begründen einzeln und in Kombination jeweils Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektromagnetischen Antriebs. Ein Fachmann wird also erkennen, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Antriebs die Wege zur Implementierung oben genannter Vorrichtungsmerkmale eines erfindungsgemäßen Spulenkerns und/oder eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebs jeweils in Form von Verfahrensschritten im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens verstanden bzw. umformuliert werden können.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. In der Beschreibung der Ausführungsform sind der Einfachheit halber gleiche Merkmale und Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines monostabilen Relais, das erfindungsgemäß in ein bistabiles Relais umwandelbar ist;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen bistabilen Relais;
3 zeigt eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Bausatzes für ein monostabiles und ein bistabiles Relais;
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen bistabilen Relais in einem Vormontagezustand; und
5 verdeutlicht einen Verfahrensschritt zur Montage eines erfindungsgemäß eingesetzten Permanentmagneten und eines erfindungsgemäß eingesetzten Polschuhs.

1 zeigt ein monostabiles Relais 100, das erfindungsgemäß einfach in ein bistabiles Relais 1 umgewandelt werden kann, in einer schematischen Querschnittsansicht entlang einer Längsachse L₁₀₂ eines elektromagnetischen Antriebs 102 des monostabilen Relais 100. Der elektromagnetische Antrieb 102 umfasst einen Spulenkern 103, eine Spule 104, ein Joch 105 und einen Anker 106. Des Weiteren umfasst das monostabile Relais 100 eine Schaltkontaktanordnung 107 und eine Tragstruktur 108 in Form eines Gehäuses.
Der elektromagnetische Antrieb 102 ist im in 1 gezeigten Endmontagezustand E des monostabilen Relais 100 in der Tragstruktur 108 befestigt aufgenommen. Der elektromagnetische Antrieb 102 kann getrennt von der Tragstruktur 108 in einem Vormontagezustand P, der hier noch nicht gezeigt ist, bereits zusammengesetzt und anschließend mit der Tragstruktur 108 zusammengeführt bzw. in diese eingebaut werden, um das monostabile Relais 100 in den Endmontagezustand E zu überführen.
Der Spulenkern 103 kann aus einem den jeweiligen Anforderungen entsprechenden ferromagnetischen Material geformt sein und umfasst einen Schaft 130, der ein jochseitiges Ende 131 und ein ankerseitiges Ende 132 aufweist. Das jochseitige Ende 131 kann mit dem Joch 105 verpresst und/oder verschweißt sein. Das ankerseitige Ende 132 kann mit einem Kragen 133 versehen sein. Der Schaft 130 kann in der Spule 104 befestigt sein bzw. mit dieser form- und/oder kraftschlüssig zusammenwirken.
Die Spule 104 besitzt einen Spulenkörper 140, an dem eine Kernaufnahme 141 ausgeformt ist, die zumindest den Schaft 130 des Spulenkerns 103 aufnimmt. Zwischen zwei Flanschen 142a und 142b des Spulenkörpers 140 ist induktives Spulenmaterial 143 angeordnet, das beispielsweise in Form von Kupferdraht außenumfangsseitig um die Kernaufnahme 141 herumgewickelt sein kann.
Das Joch 105 besitzt einen hinteren Jochabschnitt 150, der magnetisch leitend mit dem jochseitigen Ende 131 des Schaftes 130 verbunden ist. Der hintere Jochabschnitt 150 erstreckt sich quer zur Längsachse L₁₀₂ des Antriebs 102 radial nach außen und ist mit einem mittleren Jochabschnitt 151 verbunden, der sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse L₁₀₂ des Antriebs 102 verlaufend bis zum Anker 106 erstreckt.
Der Anker 106 kann als Klappanker ausgestaltet und dazu mit seinem Betätigungsabschnitt 160 über ein Scharnier 161 bzw. beispielsweise eine Federlocke beweglich mit dem mittleren Jochabschnitt 151 verbunden sein. An seinem kontaktseitigen Ankerende 162 ist der Anker 106 bewegungsübertragend mit der Schaltkontaktanordnung 107 verbunden.
Die Schaltkontaktanordnung 107 umfasst einen Schaltkontakt 170, einen Gegenkontakt 171 und einen weiteren Gegenkontakt 172. Der Schaltkontakt 170 ist am kontaktseitigen Ankerende 162 befestigt und durch Bewegung des Ankers 106 von der Offenstellung O in die Schließstellung C überführbar. In der nicht gezeigten Schließstellung C ist das Spulenmaterial 143 unter eine elektrische Steuerspannung gesetzt und somit die Spule 104 erregt. Bei Erregung induziert die Spule 104 ein Magnetfeld in den Spulenkern 103, dass sich über das ankerseitige Schaftende 132 einerseits sowie das Joch 105 andererseits in den Anker 106 fortsetzt und dazu bestrebt ist, den Betätigungsabschnitt 160 des Ankers 106 in Richtung des ankerseitigen Schaftendes 132 zu ziehen und mit diesem in Kontakt zu bringen. Sobald der Betätigungsabschnitt 160 in Kontakt mit dem ankerseitigen Schaftende 132 steht, bilden Spulenkern 103, Joch 105 und Anker 106 einen Magnetkreis, in dem ein magnetischer Rückschluss eine auf den Anker 106 wirkende Haltekraft ausübt, die den Schaltkontakt 170 elektrisch leitend in Kontakt mit dem Gegenkontakt 171 hält.
Bei Wegfallen der Steuerspannung kann ein Rückstellmechanismus 109, beispielsweise in Form einer Rückstellfeder, die eine um das Scharnier 161 wirkende Rückstellkraft auf den Anker 106 ausübt, den Betätigungsabschnitt 160 samt daran befestigtem Schaltkontakt 170 in die in 1 gezeigte Offenstellung O zurück bewegen, in welcher der Betätigungsabschnitt 160 vom ankerseitigen Schaftende 132 und somit der Schaltkontakt 170 vom Gegenkontakt 171 beabstandet ist. In der Offenstellung O kann der Schaltkontakt 170 an einen weiteren Gegenkontakt 172 anliegen, wodurch ein Bewegungsspiel des Ankers 106 zwischen ankerseitigem Schaftende 132 sowie Gegenkontakt 171 auf der einen Seite und durch den weiteren Gegenkontakt 172 auf der anderen Seite beidseitig begrenzt sein kann.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes bistabiles Relais 1 in einer schematischen Querschnittsansicht entlang einer Längsachse L₂ eines elektromagnetischen Antriebs 2 des bistabilen Relais 1. Analog zum in 1 gezeigten monostabilen Relais 100 umfasst der elektromagnetische Antrieb 2 einen Spulenkern 3, eine Spule 4, ein Joch 5 und einen Anker 6. Des Weiteren umfasst das bistabile Relais 1 analog zum monostabilen Relais 100 eine Schaltkontaktanordnung 7, eine Tragstruktur 8 in Form eines Gehäuses und einen Rückstellmechanismus 9.
Im in 2 gezeigten Endmontagezustand E des bistabilen Relais 1 ist der elektromagnetische Antrieb 2 in der Tragstruktur 8 befestigt aufgenommen. Der elektrische Antrieb 2 kann getrennt von der Tragstruktur 8 an einem Vormontagezustand P, der hier noch nicht gezeigt ist, bereits zusammengesetzt und anschließend mit der Tragstruktur 8 zusammengeführt bzw. in diese eingebaut werden, um das bistabile Relais 1 in den Endmontagezustand E zu überführen.
Der Spulenkern 3 kann aus einem den jeweiligen Anforderungen entsprechenden ferromagnetischen Material geformt sein und umfasst einen Schaft 30, der ein jochseitiges Ende 31 und ein ankerseitiges Ende 32 aufweist. Das jochseitige Ende 31 kann mit dem Joch 5 verpresst und/oder verschweißt sein. Das ankerseitige Ende 32 kann mit einem Kragen 33 versehen sein. Der Schaft 30 kann in der Spule 4 befestigt sein bzw. mit dieser form- und/oder kraftschlüssig zusammenwirken.
Die Spule 4 besitzt einen Spulenkörper 40, in dem eine Kernaufnahme 41 ausgeformt ist, die zumindest den Schaft 30 des Spulenkerns 3 aufnimmt. Zwischen zwei Flanschen 42a und 42b des Spulenkörpers 40 ist induktives Spulenmaterial 34 angeordnet, das beispielsweise in Form von Kupferdraht außenumfangsseitig um die Kernaufnahme 41 herumgewickelt sein kann.
Das Joch 5 besitzt einen hinteren Jochabschnitt 50, der magnetisch leitend mit dem jochseitigen Ende 31 des Schaftes 30 verbunden ist. Der hintere Jochabschnitt 50 erstreckt sich quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 radial nach außen und ist mit einem mittleren Jochabschnitt 51 verbunden, der sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 verlaufend bis zum Anker 6 erstreckt.
Der Anker 6 kann als Klappanker ausgestaltet und dazu mit einem Betätigungsabschnitt 60 über ein Scharnier 61 beweglich mit dem mittleren Jochabschnitt 51 verbunden sein. Das Scharnier 61 kann als Federlocke ausgestaltet sein, die einen Drehpunkt für den Anker 6 vorgeben kann. Mit anderen Worten kann ein beliebig ausgestaltetes Ankerlager das Scharnier 61 bilden. An seinem kontaktseitigen Ankerende 62 ist der Anker 6 bewegungsübertragend mit der Schaltkontaktanordnung 7 verbunden.
Die Schaltkontaktanordnung 7 umfasst einen Schaltkontakt 70, einen Gegenkontakt 71 und einen weiteren Gegenkontakt 72. Der Schaltkontakt 70 ist am kontaktseitigen Ankerende 62 befestigt und durch Bewegung des Ankers 6 von der Offenstellung O in die Schließstellung C überführbar. In der nicht gezeigten Schließstellung C ist das Spulenmaterial 43 unter eine elektrische Steuerspannung gesetzt und somit die Spule 4 erregt. Bei Erregung induziert die Spule 4 ein Magnetfeld in den Spulenkern 3.
Am ankerseitigen Ende 32 des Spulenkerns 3 ist ein Permanentmagnet 10 angeordnet. An seiner vom ankerseitigen Ende 32 des Spulenkerns 3 weg weisenden Seite des Permanentmagneten 10 ist ein Polschuh 20 mit seiner magnetseitigen Kontaktfläche 21 befestigt. Eine ankerseitige Kontaktfläche 22 des Polschuhs 20 weist in Richtung des Betätigungsabschnittes 16 des Ankers 6. Die Summe einer im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse L₃ des Spulenkerns 3 gemessenen Länge l₃ des Spulenkerns 3 zuzüglich einer Dicke I₁₀ bzw. parallel zur Längsachse l₃ des Spulenkerns gemessenen Länge des Permanentmagneten 10 sowie einer Dicke I₂₀ bzw. im Wesentlichen parallel zur Längsachse L₃ des Spulenkerns 3 gemessenen Länge des Polschuhs 20 ist im Wesentlichen gleich einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse L₁₀₃ des Spulenkerns 103 des monostabilen Relais 100 gemessenen Länge l₁₀₃ des Spulenkerns 103 für das monostabile Relais 100 (siehe 1).
Das beim Anlegen der Steuerspannung von der Spule 4 in den Spulenkern 3 induzierte Magnetfeld setzt sich über das ankerseitige Schaftende 32 des Spulenkerns 3 des bistabilen Relais 1 über den Permanentmagneten 10 und den Polschuh 20 einerseits sowie das Joch 5 andererseits in den Anker 6 fort und ist dazu bestrebt, den Betätigungsabschnitt 60 des Ankers 6 in Richtung der ankerseitigen Kontaktfläche 22 des Polschuhs 20 zu ziehen bis der Anker 6 in der Schließstellung C mit der ankerseitigen Kontaktfläche 22 in Kontakt steht. In der Schließstellung C bilden Spulenkern 3, Permanentmagnet 10, Polschuh 20, Joch 5 und Anker 6 einen Magnetkreis, in dem ein magnetischer Rückschluss eine auf den Anker 6 wirkende Haltekraft ausübt, die den Schaltkontakt 70 elektrisch leitend in Kontakt mit dem Gegenkontakt 71 hält.
Der Permanentmagnet 10 wirkt ein ausreichend starkes Permanentmagnetfeld aus, dessen permanente Haltekraft den Anker 6 auch nach Wegfallen der Steuerspannung der Schließstellung C hält. Eine um das Scharnier 61 auf den Anker 6 wirkende und vom Rückstellmechanismus 9 erzeugte Rückstellkraft reicht nicht aus, um dessen Betätigungsabschnitt 60 samt daran befestigtem Schaltkontakt 70 in die in 1 gezeigte Offenstellung O zurückzubewegen, in welcher der Betätigungsabschnitt 60 von der ankerseitigen Kontaktfläche 22 und somit der Schaltkontakt 70 vom Gegenkontakt 71 beabstandet ist.
Um den Anker 6 samt daran befestigtem Schaltkontakt 70 zurück in die Offenstellung O zu bewegen, ist eine an die Spule 4 angelegte Umsteuerspannung mit zur Steuerspannung umgekehrtem elektrischen Potential sowie umgekehrter Stromflussrichtung erforderlich, die ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt, das entgegengesetzt zum durch die Spule 4 und/oder den Permanentmagneten 10 in den Kern 3 induzierten Haltemagnetfeld wirkt. Das vom Permanentmagneten 10 erzeugte auf den Anker 6 wirkende Haltemagnetfeld wird durch den vom Spulenstrom erzeugten entgegengesetzt gerichteten Magnetfluss überlagert. Ist die vom resultierenden Magnetfluss auf den Anker 6 wirkende Haltekraft geringer als die Summe der Kräfte des Rückstellmechanismus 9 bzw. dessen Rückstellkraft und Gegenkontaktkraft am Kontaktabschnitt 92, so bewegt sich der Anker 9 in die Offenstellung O.
Mit dem entgegengesetzten Magnetfeld ist der Permanentmagnetkraft des Permanentmagneten 10 also insoweit entgegenzuwirken, dass die Rückstellkraft des Rückstellmechanismus 9 die verbleibende Haltemagnetkraft übersteigt, wonach sich der Anker 6 zurück in die in 2 gezeigte Offenstellung O bewegen kann. In der Offenstellung O kann der Schaltkontakt 70 an weiteren Gegenkontakten 72 anliegen, wodurch analog zum monostabilen Relais 100 ein Bewegungsspiel des Ankers 6 zwischen ankerseitiger Kontaktfläche 22 sowie Gegenkontakt 71 auf der einen Seite und durch den weiteren Gegenkontakt 72 auf der anderen Seite beidseitig begrenzt sein kann.
3 zeigt das bistabile Relais 1 und das monostabile Relais 100 bzw. einen Bausatz 101 für das bistabile Relais 1 und/oder das monostabile Relais 100 in einer schematischen perspektivischen Explosionsdarstellung in einem ersten Vormontagezustand P. Der Bausatz 101 kann den elektromagnetischen Antrieb 2, 102, die Spule 4, 104, das Joch 5, 105, den Anker 6, 106, die Schaltkontaktanordnung 7, 107, die Tragstruktur 8, 108 und den Rückstellmechanismus 9, 109 umfassen, die jeweils sowohl für den Aufbau des bistabilen Relais 1 als auch des monostabilen Relais 100 verwendet werden können.
Die Spule 4, 104 kann im ersten Vormontagezustand P bereits mit der Tragstruktur 8, 108 verbunden bzw. von dieser gehalten sein. Die Tragstruktur 108 kann einen ersten elektrischen Anschluss 81, 181, einen zweiten elektrischen Anschluss 82, 182 und/oder einen dritten elektrischen Anschluss 83, 183 oder auch mehr elektrische Anschlüsse beinhalten bzw. tragen, die elektrisch leitend mit der Spule 4, 104 und/oder der Kontaktanordnung 7, 107 verbunden sein können. Das Joch 5, 105 kann in der in 3 gezeigten Ausrichtung von oben mit der Tragstruktur zusammengeführt werden. Der Anker 6, 106 kann mit Hilfe eines Befestigungsabschnittes 91, 191 der Rückstelleinrichtung 9, 109 mit deren Jochabschnitt 51, 151 befestigt werden und das Scharnier 61, 161 sowie einen Kontaktabschnitt 92, 192 ausbilden, der den Schaltkontakt 70, 170 tragen oder an dem der Schaltkontakt 70, 170 ausgeformt sein kann.
Der Spulenkern 3 für das bistabile Relais 1 und der Spulenkern 103 für das monostabile Relais 100 sind jeweils so ausgestaltet, dass sie in einer Einführrichtung I in die Kernaufnahme 41, 141 eingeführt werden können. Nach dem Einführen kann das jochseitige Schaftende 31, 131 jeweils mit dem hinteren Jochabschnitt 50, 150 verbunden werden, der dazu ein Montageelement 52, 152 beispielsweise in Form einer Durchgangsbohrung aufweisen kann. Der Schaft 30 des Spulenkerns 3 für das bistabile Relais 1 bzw. der Schaft 130 des Spulenkerns 103 für das monostabile Relais 100 können jeweils in das Montageelement 52, 152 eingeführt und beispielsweise mit dem hinteren Jochabschnitt 50, 150 verpresst werden und/oder über das Montageelement 52, 152 mit dem hinteren Jochabschnitt 50, 150 verschweißt bzw. anderweitig stoff-, form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden.
Nach dem Einsetzen des Spulenkerns 3 für das bistabile Relais 1 kann der Permanentmagnet 10 mit seiner Kernseite 11 am ankerseitigen Ende 32 des Schaftes 30 befestigt werden, beispielsweise durch Kleben. Danach kann der Polschuh 20 an einer Ankerseite 12 des Permanentmagneten 10 befestigt werden, beispielsweise ebenfalls durch Kleben. Alternativ können zuerst Permanentmagnet 10 und Polschuh 20 miteinander verbunden und anschließend am Spulenkern 3 für das bistabile Relais 1 angebracht werden.
4 zeigt das bistabile Relais 1 in einem zweiten Vormontagezustand Q in einer schematischen Querschnittsansicht entlang der Längsachse L₂ des elektromagnetischen Antriebes 2. Der Spulenkern 3 ist in Einführrichtung I in die Kernaufnahme 41 eingeschoben, bis sein jochseitiges Ende 31 ordnungsgemäß relativ zum Joch 5 positioniert ist und/oder in ordnungsgemäßem Kontakt mit dem hinteren Jochabschnitt 52 steht und/oder bis der Kragen 33 des Spulenkerns 3 in einer beispielsweise an der Tragstruktur 8 ausgeformten Kragenaufnahme 84 angeordnet ist und/oder an einem Anschlag anliegt, der beispielsweise vom vorderen Flansch 42a des Spulenkörpers 40 gebildet sein kann. Eine Permanentmagnetaufnahme 83 kann in Einführrichtung I vor der Kragenaufnahme 84 bzw. dem ankerseitigen Schaftende 32 ausgeformt sein, um den Permanentmagneten 10 aufzunehmen. Eine Polschuhaufnahme 86 kann in Einführrichtung I vor der Kragenaufnahme 84 und/oder der Permanentmagnetaufnahme 85 ausgeformt sein, um den Polschuh 20 für das bistabile Relais 1 oder den Kragen 133 des Spulenkerns 103 für das monostabile Relais 100 aufzunehmen.
5 zeigt den Polschuh 20 und den Permanentmagneten 10 sowohl einzeln als auch zusammengefügt in einem dritten Vormontagezustand R. Der Permanentmagnet 10 kann beispielsweise durch Verkleben oder andere geeignete Verbindungstechnologien mit der Ankerseite 12 an der magnetseitigen Kontaktfläche 21 befestigt werden, wodurch Permanentmagnet 10 und Polschuh 20 gemeinsam eine einfach zu handhabende Permanentmagneteinheit 1020 bilden, die in einem Arbeitsschritt über die Kernseite 11 mit dem ankerseitigen Schaftende 32 verbindbar ausgestaltet sein kann.
Ein quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 gemessener Durchmesser d₁₀ des Permanentmagneten 10 kann größer sein als ein quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 gemessener Durchmesser d₃₀ des Schaftes 30. Der Polschuh 20 kann einen Kragen 23 bzw. einen Absatz aufweisen, der dazu führen kann, dass ein quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 gemessener Durchmesser d₂₀ des Polschuhs 20, ein quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 gemessener Durchmesser d₂₁ der magnetseitigen Kontaktfläche 21 und/oder ein quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 gemessener Durchmesser d₂₃ des Absatzes 23 größer ist bzw. sind als der Durchmesser d₁₀ des Permanentmagneten 10 und/oder ein quer zur Längsachse L₂ des Antriebs 2 gemessener Durchmesser d₂₂ der ankerseitigen Kontaktfläche 22. Der Durchmesser d₁₀ des Permanentmagneten 10 kann größer sein als der Durchmesser d₂₂ der ankerseitigen Kontaktfläche 22 des Polschuhs 20. Somit kann der Polschuh 20 als Magnetflusskonzentrator fungieren, über den die vom Permanentmagneten 10 und/oder Spulenkern 3 ausgehenden Magnetfeldlinien von der magnetseitigen Kontaktfläche 21 hin zur ankerseitigen Kontaktfläche 22 konzentriert werden, da sich der Polschuh 20 von seiner magnetseitigen Kontaktfläche 21 zur ankerseitigen Kontaktfläche 22 hin verjüngt.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind Abweichungen von den oben beschriebenen Ausführungsformen möglich. So ist es von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich, dass der elektromagnetische Antrieb 2, die Spule 4, das Joch 5, der Anker 6, die Schaltkontaktanordnung 7, die Tragstruktur 8 und/oder der Rückstellmechanismus 9 so ausgeformt sind, dass sie sowohl den Spulenkern 3 für das bistabile Relais 1 als auch den Spulenkern 103 für das monostabile Relais 100 aufnehmen können. Es ist von Vorteil, jedoch nicht zwingend erforderlich, dass der Permanentmagnet 10 und Polschuh 20 wie hierin gezeigt außerhalb der Spule 4 angeordnet sind, vereinfacht jedoch die Montage des Permanentmagneten 10 sowie des Polschuhs 20 bzw. einer aus diesen beiden gebildeten Permanentmagneteinheit 1020, nachdem der Spulenkern 3 ordnungsgemäß in die Spule 4 eingeführt wurde. Das bistabile Relais 1 bzw. monostabile Relais 100 kann den jeweiligen Anforderungen gemäß mit einer Schaltkontaktanordnung 7 den jeweiligen Anforderungen gemäß diese betätigenden Anker 6 bzw. 106 ausgestaltet sein, um die gewünschten Schaltzustände zu realisieren und Ströme zu transportieren.

Claims

Spulenkern (3) für einen elektromagnetischen Antrieb (2) eines Relais (1), mit einem Schaft (30), der ein jochseitiges Ende (31) zur Anbringung an einem magnetischen Joch (5) des Antriebs (2) und ein ankerseitiges Ende (32) zur Anordnung an einem beweglichen Anker (6) des Antriebs (2) aufweist, wobei das ankerseitige Ende (32) mit einem Permanentmagneten (10) versehen ist und mit einem Polschuh (20), der an einer vom ankerseitigen Ende (32) wegweisenden Seite des Permanentmagneten (10) angeordnet ist, wobei der Polschuh (20) sich in Richtung seines vom Permanentmagneten (10) abgewandten Endes verjüngt.
Spulenkern (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ankerseitige Ende (32) mit einem Kragen (33) versehen ist.
Spulenkern (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (10) zwischen dem Polschuh (20) und dem ankerseitigen Ende (32) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Antrieb (2) für ein Relais (1), wobei ein Spulenkern (3) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Antrieb (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (30) im Spulenkörper (40) fixiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Antriebs (2) für ein Relais (1), wobei ein Spulenkern (3) in einem ersten Verfahrensschritt mit seinem jochseitigen Ende (31) voran in einen Spulenkörper (40) eingeschoben wird, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt ein ankerseitiges Ende (32) des Spulenkerns (30) mit einem Permanentmagneten (10) versehen und an einer vom ankerseitigen Ende (32) wegweisenden Seite des Permanentmagneten (10) ein sich in Richtung seines vom Permanentmagneten (10) abgewandten Endes verjüngender Polschuh (20) angeordnet wird.