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1. WO2020007743 - RELAIS MIT STOSSKOMPENSIERTER KONTAKTBRÜCKE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Relais mit stoßkompensierter Kontaktbrücke

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Relais zum Schließen oder Unterbrechen des Stromkreises zwischen zwei Relaiskontakten.

Solche Relais sind hinlänglich bekannt und werden beispielsweise als Trennschalter im Fahrzeugbereich für 48V-Anwendungen oder in einem Batteriemanagementsystem für Li-Ionen-Batterien eingesetzt. In Situationen, in denen die Batteriezellen nicht mehr ausbalanciert werden können, wie z.B. in kritischen thermischen Zuständen der Batterie oder in Gefahrsituationen (Crash), trennt das Relais das Bord netz (+-Pol) von den Fahrzeugverbrauchem. Dadurch werden die Zellen und das Fahrzeug vor kritischen Situationen geschützt. Durch die Anforderungen in einem Fahrzeug ist es erforderlich, extreme Schocksituationen zu bestehen, z.B. in einem Crash-Fall: das Relais hat geöffnet und muss diesen Zustand auch nach dem Crash beibehalten; hier treten Beschleunigungswerte von ca. 150g für 10ms auf. In dezentralen Batteriespeichersystemen wie Solarenergiespeichern werden bis 50VDC diese Relais ebenfalls als T rennschalter in Batteriemanagementsysteme integriert. Das Relais muss auch Überstromsituationen abschalten können, d.h. Kurzschlüsse in der Batterie vermeiden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Relais sicherzustellen, dass das Relais, wenn einmal geöffnet, durch einen Crash nicht wieder geschossen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Relais zum Schließen oder Unterbrechen des Stromkreises zwischen zwei Relaiskontakten gelöst, aufweisend:

eine zwischen zwei Relaispositionen verschiebbare, elektrisch leitende Kontaktbrücke, die in der einen, geschlossenen Relaisposition an den beiden Relaiskontakten anliegt und in der anderen, geöffneten Relaisposition von den beiden Relais kontakten abgehoben ist,

einen Magnetantrieb mit einer Magnetspule und einem parallel oder nahezu parallel zur Verschieberichtung der Kontaktbrücke verschiebbar geführten Anker, der durch Umpolen der Magnetspule verschiebbar ist, und

einen im Relaisgehäuse drehbar um eine rechtwinklig zur Verschieberichtung verlaufende Achse gelagerten, doppelarmigen Hebel, an dessen einem Hebelarm die Kontaktbrücke und an dessen anderem Hebelarm der Anker angelenkt sind.

Erfindungsgemäß sind bei einem Stoß die auf den Anker und auf die Kontaktbrücke wirkenden Beschleunigungsvorzeichen invers, so dass das auf den Anker und auf die Kontaktbrücke wirkende Gesamtdrehmoment durch die Hebelumlenkung gegenseitig verringert ist und dadurch das Relais trotz des Stoßes in dem bisherigen Zustand gehalten bleibt. Das Relais kann in einer monostabilen Version als Norma-ly Open oder in einer bistabilen Version ausgeführt werden.

Für die Masse M1 und die Hebellänge L1 der Kontaktbrücke sowie für die Masse M2 und die Hebeliänge L2 des Ankers gilt bevorzugt: 0,5 < (M1*L1 )/(M2*L2) < 2, be-sonders bevorzugt: 0,95 < (M1*L1 )/(M2*L2) < 1 ,05. Je mehr sich die bei einem Stoß auf den Anker und auf die Kontaktbrücke wirkenden Drehmomente kompensieren, desto kleiner das resultierende Gesamtdrehmoment, und das Relais bleibt trotz des Stoßes in dem bisherigen Zustand gehalten. Idealerweise sind die bei einem Stoß auf den Anker und auf die Kontaktbrücke wirkenden Drehmomente vollständig kompensiert, d.h., es gilt: M1*L1 = M2*L2. Sind an der Kontaktbrücke weitere Teile angebracht, über die die Kontraktbrücke an dem einen Hebelarm angelenkt ist, so ist die Masse M1 durch die Gesamtmasse aller auf der Kontaktbrückenseite vorhandenen, mitbewegten Teile und der Hebelarm L1 durch den Anlenkpunkt am doppelarmigen Hebel definiert.

Für eine kompakte Bauweise des Relais ist es von Vorteil, wenn die Kontaktbrücke und der Anker auf derselben Seite des doppelarmigen Hebels angeordnet sind. Alternativ können die Kontaktbrücke und der Anker aber auch auf unterschiedlichen Seiten des doppelarmigen Hebels angeordnet sein.

Vorzugsweise ist die Kontaktbrücke in einem Brückenkäfig, welcher im Relaisgehäuse in der Verschieberichtung verschiebbar geführt und an dem einen Hebelarm angelenkt ist, in der Verschieberichtung federnd gelagert. Bei dieser Brückenaufhängung mit gefederter Lagerung ist die Masse M1 durch die Gesamtmasse von Kontaktbrücke und Brückenkäfig gegeben. Dabei ist die Kontaktbrücke vorteilhaft in dem Brückenkäfig in Richtung auf die Relaiskontakte vorgespannt, was einerseits den Anpressdruck vorgibt, mit dem die Kontaktbrücke in der geschlossenen Relaisposition an den Relaiskontakten anliegt, und andererseits ein prellreduziertes Schließen des Relais bewirkt.

Die Kontaktbrücke kann durch eine einzige breite Brücke oder, was bevorzugt ist, durch mehrere parallele, schmale Einzelbrücken mit je zwei Kontaktköpfen gebildet sein.

Vorzugsweise sind die beiden elektrischen Relaiskontakten an den freien Enden zweier einander zugewandter, U-förmiger Relaisanschlusskontakte angeordnet.

Dadurch wird ein dynamisches Abheben der Kontaktbrücke bei hohen Kurzschlussströmen reduziert, da das Magnetfeld, welches von dem durch die U-förmigen Relaisanschlusskontakte fließenden Strom erzeugt wird, die Kontaktbrücke zusätzlich in Kontaktschließrichtung drückt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeig-te und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Relais mit einer verschiebbaren Kontaktbrücke und mit einem Magnetantrieb;

Fign. 2a-2c eine Hebeiumlenkung zwischen dem Magnetantrieb und der Kontaktbrücke in einer Seitenansicht (Fig. 2a), in einer perspektivischen Ansicht (Fig. 2b) und in einer Ansicht von unten (Fig. 2c); und

Fign. 3a, 3b eine gefederte Lagerung der Kontaktbrücke in einem Brückenkäfig in einer perspektivischen Ansicht schräg von oben (Fig. 3a) und in einer perspektivischen Ansicht von unten (Fig. 3b).

Das in Fign. 1 und 2 gezeigte Relais (Trennschalter) 1 dient zum Schließen oder Unterbrechen des Stromkreises zwischen zwei elektrischen Relaiskontakten 2i, 22, die als Kontaktköpfe an den freien Enden zweier einander zugewandter, U-förmiger Relaisanschlusskontakte 3i, 32 angeordnet sind. Wie in Fig. 2b gezeigt, ist jeder Re laiskontakt 2-i, 2z durch eine Reihe von drei Kontaktköpfen gebildet.

Im Zwischenraum zwischen den beiden U-förmigen Relaisanschlusskontakten 3i, 32 ist im Relaisgehäuse 4 eine elektrisch leitende Kontaktbrücke 5 (z.B. aus Kupfer) in Richtung des Doppelpfeils 6 verschiebbar zwischen zwei Relaispositionen geführt. In der einen, geschlossenen Relaisposition liegt die Kontaktbrücke 5 jeweils mit drei Kontaktknöpfen 5-i bzw. 52 an den beiden Relaiskontakten 2-j, 22 an und ist in der anderen, geöffneten Reiaisposition, die in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist, von den beiden Relaiskontakten 21 ; 22 abgehoben.

Zum Verschieben der Kontaktbrücke 5 weist das Relais 1 einen Magnetantrieb 7 mit einer Magnetspule 8 und einem parallel zur Verschieberichtung 6 der Kontaktbrücke 5 verschiebbar geführten Anker 9 auf, der aus seiner einen Endstellung durch Um polen der Magnetspule 8 gegen die Rückstellkraft einer Druckfeder 10 in seine andere Endstellung verschiebbar ist. Im Relaisgehäuse 4 ist weiterhin ein doppelarmiger Hebel 12 drehbar um eine rechtwinklig zur Verschieberichtung 6 verlaufende Achse 13 gelagert, an dessen einem Hebelarm 12a der Anker 9 bei 14a und an dessen anderem Hebelarm 12b die Kontaktbrücke 5 bei 14b angelenkt sind im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Magnetantrieb 7 als monostabiler Hubmagnet und der Anker 9 als ein in der Magnetspule 8 linearbeweglich geführter Tauchkern (Stößel) ausgeführt.

Wie in Fign. 3a, 3b gezeigt, kann die Kontaktbrücke 5 in einem Brückenkäfig 15 (z.B. aus Stahl) federnd gelagert sein, der die Achse 14b trägt und seinerseits im Relaisgehäuse 4 in Verschieberichtung 6 zwischen den beiden zwei Relaispositionen verschiebbar geführt ist. Die Kontaktbrücke 5 besteht aus mehreren (hier beispielhaft drei) parallelen Einzelbrücken 5a, 5b, 5c mit je zwei Kontaktköpfen 5·i, 52, die unabhängig voneinander im B rücken käfig 15 in der Verschieberichtung 6 verschiebbar geführt sind. In Fig. 3a ist die linke Einzelbrücke 5a aus Gründen der Übersichtlichkeit ausgelassen.

Die Einzelbrücken 5a, 5b, 5c sind jeweils von einer an der Käfigdecke 16 abgestützten Druckfeder 17 in Anlage an einen Zwischenboden 18 des Brückenkäfigs 15 vorgespannt. Der Zwischenboden 18 ist als separates Stahlblech ausgebildet und weist mehrere umgebogene Führungsfinger 19 auf, um die Einzelbrücken 5a, 5b, 5b voneinander zu trennen und in der Verschieberichtung 6 verkippsicher zu führen. Der Brückenkäfig 15 trägt eine die Käfigdecke 16 übergreifende Führungskappe 20, mittels der der Brückenkäfig 15 in einem Kunststoffhalter 21 des Relaisgehäuses 4 verschiebbar geführt ist. Für einen minimalen Kontakt mit dem Kunststoffhalter 21 wei- sen die geführten Seitenwinde des Brückenkäfigs 15 jeweils nur einen punktuellen Führungsvorsprung 22 und die geführten Seiten der Führungskappe 20 mehrere Führungsrippen 23 auf, damit im Betrieb trotz heißer Einzelbrücken 5a, 5b, 5b der Brückenkäfig 15 und die Führungskappe 20 möglichst nicht mit dem Kunststoffhalter 21 in Berührung kommen und daran anschmilzen können bzw. die Einzelbrücken 5a, 5b, 5b sich möglichst nicht gegeneinander verschieben oder blockieren können.

Zum Schalten des Relais 1 wird das Magnetfeld der Magnetspule 8 ein- oder ausgeschaltet. Der Anker 9 ist, wie in den Fign. 1 und 2 gezeigt, bei ausgeschaltetem Magnetfeld durch die Druckfeder 10 nach unten gedrückt und dadurch über den Hebel 10 auch der Brückenkäfig 15 samt den Einzelbrücken 5a, 5b, 5b nach oben gedrückt, bis in der geöffneten Relaisposition die Einzelbrücken 5a, 5b, 5b von den Relaiskontakten 2i , 22 abgehoben sind. Bei eingeschaltetem Magnetfeld ist der Anker 9 gegen die Wirkung der Druckfeder 10 nach oben in die Magnetspule 8 hineingezogen und dadurch über den Hebel 10 auch der Brückenkäfig 15 samt Einzelbrücken 5a, 5b, 5c nach unten gezogen, bis in der geschlossenen Relaisposition die Einzelbrücken 5a, 5b, 5b an den Relaiskontakten 2i, 22 anliegen. Der Anpressdruck der Kontaktknöpfe 5i, 5z an die beiden Relaiskontakte 2i, 22 ist dabei jeweils durch die Druckkraft der zusammengedrückten Druckfeder 17 gegeben ln der geschlossenen Relaisposition wirken die Druckfedern 17 außerdem der Auslenkung der Einzelbrücken 5a, 5b, 5b in Öffnungsrichtung des Relais 1 entgegen, was zu einem prellredu-zierten Schließen des Relais 1 führt.

Durch die einander zugewandten, U-förmigen Relaisanschlusskontakte 3i, 32 wird zudem ein dynamisches Abheben bei hohen Kurzschlussströmen reduziert, da das Magnetfeld, welches von dem durch die U-förmigen Relaisanschlusskontakte 3i, 32 fließenden Strom erzeugt wird, die Einzelbrücken 5a, 5b, 5b zusätzlich in Kontaktschließrichtung drückt.

Um das Relais 1 auch im Falle eines Stoßes in dem gewünschten Zustand zu halten, sind die beweglichen Teile des Magnetantriebs 7, also der Magnetanker 9, und die Kontaktbrücke 5 (samt Brückenkäfig 15) so ausgelegt, dass für die Masse M1 (ein schließlich Brückenkäfig 15) und die Hebellänge 11 der Kontaktbrücke 5 sowie für die Masse M2 und die Hebellänge L2 des Ankers 9 gilt: M1*L1 ~ M2*L2. In diesem

Fall heben sich bei einem Stoß die auf den Anker 9 und auf die Kontaktbrücke 5 wirkenden Drehmomente gegenseitig auf, was durch die Hebelumlenkung erreicht wird. Die Beschleunigungs- bzw. Drehmomentvorzeichen sind somit invers.