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Im Bild zu sehen ist der Aufbau des von ­Phoenix ­Contact entwickelten Elementarrelais mit zwangsgeführten Kontakten. Bild: Phoenix Conact
Sicherheitsrelais

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Platzsparende Sicherheit

Text: Carsten Gregorius, Phoenix Contact
Seit vielen Jahren schon sind Sicherheitsrelais in fast jedem Schaltschrank zu finden. Dies liegt unter anderem an ihrer hohen Zuverlässigkeit bei gleichzeitig einfacher Handhabung. Doch aufgrund physikalischer Gegebenheiten konnte ihre Baugröße bislang nicht verkleinert werden. Ein neuer Ansatz widerlegt diese These.

Sicherheitsrelais werden insbesondere dort eingesetzt, wo hohe Lasten direkt zu schalten sind oder sicherheitsrelevante Signale zur Entkopplung verschiedener Potenziale weitergegeben werden sollen. Die Komponenten weisen in der Regel eine Baubreite von 22,5 mm auf. Dies resultiert aus dem im Sicherheitsrelais verbauten zwangsgeführten Elementarrelais, dessen Baugröße und Leistungsvolumen bis dato keine weitere Verkleinerung des Bauteils zugelassen haben. Als wesent­licher Bestandteil des Sicherheitsrelais sorgt das Elementarrelais mit zwangsgeführten Kontakten für eine hohe Sicherheit des Menschen und der Maschine. Sein Öffner- und Schließerkontakt sind durch eine mechanische Vorrichtung mit­einander verbunden. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Schließer und der Öffner gleichzeitig geschlossen sein können. In Verbindung mit einer geeigneten Auswertung lässt sich ein Öffnungsversagen so zuverlässig erkennen und die Komponente über einen zweiten unabhängigen Abschaltpfad steuerungstechnisch sicher verriegeln.

Die Norm EN 50205 legt die sicherheitsrelevanten Grund­anforderungen für Elementarrelais mit Zwangsführung fest. Aus diesen Rahmenbedingungen kann abgeleitet werden, dass ein aus einem Öffner- und Schließerkontakt bestehendes System keine gemeinsamen Kontaktglieder (Umschaltfeder) nutzen darf. In der Praxis muss daher jedes einzelne Kontaktelement – also Öffner- oder Schließerkontakt – stets über eine nur ihm zugeordnete Kontaktfeder verfügen. Im Vergleich zu einem Standardrelais hat das Magnetsystem somit die Arbeit einer zusätzlichen Kontaktfeder zu leisten. Die Einhaltung des antivalenten Kontaktzustands gemäß EN 50205 wird dadurch beschrieben, dass der verbleibende Kontaktabstand unter allen Umständen – beispielsweise Toleranzen, Kontaktverschweißung oder Übererregung – größer als 0,5 mm ist. Folglich müssen bei Elementarrelais mit Zwangsführung konstruktiv typische Kontaktabstände von 0,85 bis 1,2 mm (Nennwert) beachtet werden, während der Wert bei Standardrelais lediglich 0,25 bis 0,3 mm beträgt. Die Summe der genannten Forderungen und die sich daraus ergebenden konstruktiven Lösungen führen dazu, dass Relais mit zwangsgeführten Kontakten in der Regel ein zwei- bis dreimal so großes Volumen und eine entsprechend höhere Nennleistung des Magnetsystems gegenüber Standardrelais aufweisen.

Kontakte platzsparend angeordnet

Um die aufgeführten physikalischen Abhängigkeiten zu durchbrechen, sollte ein möglichst kleines Relais mit hoher Schalt- und geringer Betriebsleistung, also großer Effizienz erarbeitet werden. Das Entwicklungs-Team von Phoenix Contact hat die Aufgabenstellung in ein nur 6 mm schmales Elementarrelais mit Zwangsführung umgesetzt, das sich aus je einem Schließer- und Öffnerkontakt zusammensetzt. Trotzdem bietet das neue Elementarrelais die gleichen Leistungsdaten (Schaltvermögen) wie die klassischen am Markt erhältlichen Varianten, die allerdings ein größeres Bauvolumen haben.

Der Schließerkontakt des schmalen Elementarrelais ist für einen maximalen Dauerstrom von 6 A ausgelegt. Aufgrund des besser gestalteten Lastkontakts hat das Bauteil eine hohe Kurzschlussfestigkeit. Sein Design wurde dabei so konzipiert, dass bei kleinstmöglichem Bauraum eine hohe Isolationsfestigkeit zwischen dem Lastkontakt (NO) und der Spule sowie dem Diagnosekontakt (NC) erreicht wird. Der als Diagnosekontakt ausgeführte Öffnerkontakt ist direkt mit dem Anker verbunden, was eine platzsparende Anordnung der einzelnen Elemente ermöglicht. Die Federn des Öffnerkontakts und die Überhubfeder bestehen aus Edelmetall, weshalb sie sehr gute mechanische Kennwerte bei kleiner Abmessung erzielen. Darüber hinaus besitzen sie eine höhere Robustheit als vergleichbare Federn aus einer Kupferlegierung. Der redundant aufgebaute Diagnosekontakt sorgt ferner für eine hohe Kontaktzuverlässigkeit.

Niedrige Leistungsaufnahme

Das Magnetsystem beruht auf der Wirkung von überlagernden Flüssen eines Dauermagnetkreises und dem durch die Spule erzeugten Betriebsfluss. Die richtungsabhängige Überlagerung des Dauermagnetflusses mit dem Betriebsfluss der Spule sowie die angepasste Geometrie des neuen Elementarrelais stellen sicher, dass das Magnetsystem die erforderliche rund dreifache Arbeit im Vergleich zu den bisher verfügbaren Relais ohne Zwangsführung in vergleichbarer Baugröße leisten kann. Das patentierte Funktionsprinzip des Antriebssystems resultiert außerdem in einer niedrigeren Leistungsaufnahme.

Damit sich ein verbessertes Design bei gleichzeitiger Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen, Werkstoffparametern und Umweltweinflüssen realisieren lässt, ist eine Robust-Design-Optimierung notwendig. Das Entwickler-Team hat hier auf seine Erfahrungen aus der Automobilindustrie zurückgegriffen, wo naturgemäß besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt werden. Zudem haben sich die Mitarbeiter der Gesetze aus der Bruchmechanik bedient, um das patentierte Konzept umzusetzen. Dem theoretischen Ansatz folgend wurden die Ergebnisse in aufwändigen Messreihen bestätigt. Anschließend erfolgte die Zulassung durch den TÜV Rheinland und den VDE.

Hohe Fertigungsgenauigkeit

Das neue Elementarrelais mit zwangsgeführten Kontakten wird mit allen Einzelteilen selbst hergestellt, so dass es die geforderte Fertigungsgenauigkeit gemäß den Qualitätsansprüchen erfüllt. Eine Schlüsselrolle kommt hier dem Konzept in der Spritzgussmontage zur Sicherung der benötigten Genauigkeiten und Toleranzen zu. Die für die Funktion relevanten Bezugsobjekte – also Lagerstelle des Ankers, Polstücke des Magnetsystems, Festkontakte des Diagnose- und Lastkontakts sowie die zugehörigen Teile der Dauermagnetbrücke – sind mittels Kunststoff-Umspritzung zueinander fixiert. So lassen sich sämtliche Elemente mit einer sehr hohen Genauigkeit und folglich minimalen Toleranzen positionieren.

Die geringen Toleranzen führen wiederum zu kleinen Streuungen der Magnetkraft und der Federsatzkennwerte, beispielsweise des Kontaktabstands. In Verbindung mit dem innovativen Design-Ansatz des Magnetsystems und der Anordnung der Kontaktsystemteile zum Magnetsystem erlaubt es die beschriebene Reduzierung des Bauvolumens gegenüber den bis dato am Markt erhältlichen Relais mit zwangsgeführten Kontakten.

Hohe Platzersparnis

Das Produkt-Portfolio von Phoenix Contact umfasst schon seit langem Sicherheitsrelais. Die im Jahr 2000 eingeführte erste Generation der Baureihe ist in den nachfolgenden Jahren stetig ausgebaut worden. Auf Basis der neuen Relaistechnik können nun bisher nicht gekannte Sicherheitslösungen in den Bereichen Maschinenbau und Prozesstechnik realisiert werden. Die neue Produktfamilie steht in einer Baubreite von 6 mm und 12 mm zur Verfügung, so dass sich bis zu 70 Prozent Platz gegenüber klassischen Konzepten einsparen lassen. Während die 12mm-Klasse den Platzbedarf bei vergleichbarer Leistung fast halbiert, können mit der 6mm-Klasse feingranulare Applikationen ab einem Freigabepfad aufgebaut werden.

Besonderen Wert haben die Entwickler zudem auf eine hohe Kompatibilität zu den verschiedenen Signalgebern gelegt. Neben klassischen elektromechanischen Sensoren wie Not-Halt oder Schutztürverriegelungen sind ebenfalls Reed- und Transponder-Schalter anschließbar. Darüber hinaus können auch Lichtgitter oder Laserscanner genutzt werden.

Funktionen wie bei klassischen Sicherheitsrelais

Unabhängig von der verwendeten Relaistechnik erwarten Anwender bei neuen Lösungen die gleichen Funktionen, die sie von vergleichbaren klassischen Sicherheitsrelais kennen: sowohl ein- als auch zweikanalige Geräte, mit oder ohne Querschlusserkennung, wahlweise mit automatischem oder manuell überwachtem Start, einschließlich eines Meldeausgangs, der sich zur Diagnose an einer SPS einsetzen lässt. Die neuen Sicherheitsrelais mit zwangsgeführten Kontakten werden diesem Anspruch gerecht.

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