Fit in die Zukunft!

Relais in Höchstform

Als Antwort auf branchenübergreifende Trends wie Miniaturisierung, Preisdruck und alternative Technologien (Halbleiter) haben die Relaishersteller ihre Produkte in den letzten 20 Jahren einem Fitnessprogramm unterzogen.

Das führte dazu, dass sich sowohl das Volumen der Relais als auch die Spulenverlustleistung signifikant verringert haben – bei gleichbleibendem Schaltvermögen und steigenden Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Ein Maß dafür ist die Leistungsdichte (Abb. 1).


Abb. 1: Entwicklung der Leistungsdichte im Trend der Miniaturisierung


Es scheint, als wäre bei der Miniaturisierung eine Grenze erreicht, die sich nur noch geringfügig verschieben lässt, während die Leistungsdichte deutlich gesteigert werden konnte.
Die technische Herausforderung bei der Miniaturisierung besteht in dem zur Verfügung stehenden Volumen für die Erregerspule. Ein kleineres Magnet-system stellt letztendlich geringere mechanische Kräfte für den Schaltkontakt zur Verfügung. Mit sinkender Kontaktkraft erhöht sich aber der Kontaktwiderstand und damit die Verlustleistung – das Relais wird zu warm.
Für gestiegene Lebensdauerforderungen ließen sich Kontaktmaterialien mit noch geringerer Verschweiß-neigung finden.
Diese gehen aber einher mit dem Nachteil der höheren Dotierung des Kontaktmaterials und damit wiederum einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes.

In Hinblick auf die begrenzten Kapazitäten von Mensch und Natur bilden neue Megatrends wie Ressourcenschonung und Umweltverträglichkeit zusätzliche Herausforderungen an unsere Gesellschaft. Auch die Relaishersteller stellen sich dieser Herausforderung, indem sie versuchen, den Material- und Energieeinsatz am Produkt und im Prozess zu verringern.
Wie also lässt sich diese Forderung bei einem elektromechanischen Relais bei annähernd gleichen technischen Parametern umsetzen?
Zum Beispiel wird der Energiebedarf durch Wärmerückgewinnung in den Fertigungswerken erheblich reduziert.
Tampondruck mit lösemittelhaltigen Farben für die Gehäusekennzeichnung wird durch Laserbeschriftung ersetzt, wodurch die Schadstoffbelastung sinkt.

Für das Design des Relais ergeben sich folgende Ansatzpunkte:

• Verringerung des Edelmetallanteiles der Schaltkontakte (Abb. 2)
• Reduktion der Einzelteile – Wegfall von Prozessschritten
• Optimiertes Design der Einzelteile – geringerer Abfall
• Bessere Auslegung der Einzelteilwerkzeuge – geringerer Rohstoffbedarf



Abb. 2: Ersatz des massiven Kontaktnietes durch einen Trimetall-Kontaktniet


Am Beispiel des HF115FK Relais – einem Mitglied der 16 A Netzrelaisfamilie – lässt sich zeigen, dass diese Punkte erfolgreich umgesetzt wurden. Für den Endverbraucher ist es bei all diesen Maßnahmen wichtig, dass keine Abstriche beim Leistungsvermögen des Relais gemacht werden müssen (in diesem konkreten Fall beträgt die Spulenverlustleistung 400 mW, das Bauvolumen 5,78 cm und die Schaltleistung bis zu 4000 VA).
Die Evaluierung belegt, dass das Relais hinsichtlich der technischen Parameter alle Anforderungen erfüllt. Ein Vergleich der elektrischen Lebensdauer zwischen dem bewährten Relais HF115F und der materialoptimierten Variante HF115FK zeigt gleichwertige B10-Werte in der Lebensdauer (Abb.3).

Ohmsche Last, 85°C, 250 VAC / 12 A am Schließerkontakt, 600 Zyklen/h, ED 50 %

HF115F: B10=166.805 Zyklen, β=6.37
HF115FK: B10=163.462 Zyklen, β=7.61

Abb. 3: Vergleichende Darstellung der Lebensdauer mit Hilfe der Weibullstatistik


Wie beschrieben ist eine Optimierung von Relais durch geeignete Maßnahmen ohne Reduzierung der Leistungsfähigkeit erreichbar. Ein bisschen was geht also immer. Neue Anforderungen führen auch hier zu weiterem technischen Fortschritt.

Rainer Adelberg, Hongfa Europe GmbH



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In dieser Ausgabe:
Fit in die Zukunft!
Relais in Höchstform
Editorial:
Was lange währt...
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Mit Sonnenkraft voraus!
Relais für zukünftige Gleichstromnetze
Einbruch? Nein Danke!
Relais in der Gebäudeautomatisierung
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Update 04/11/2016