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Elektromagnetisches Relais zur Betätigung des
Auslösers von Schaltervorrichtungen
Die Erfindung betrifft elektromagnetische Relais zur Betätigung des Auslösers von Schaltervorrichtungen mit einem Relaisanker und einer mindestens eine Wicklung enthaltenden Relaisspule, wie solche z. B. als Differenz-Relais in Installations-Selbstschaltern verwendet werden, die im allgemeinen mit einer thermischen und elektromagnetischen Auslösung zum Schutz gegen Überströme bzw. Kurzschlüsse in Netzanlagen versehen sind.
Derartige Differenz-Relais bestehen aus einer Relaisspule, deren zwei auf einen ferromagnetischen Kern gewickelte Wicklungen je in einem Netzleiter geschaltet sind. Bei normalen Betriebsverhältnissen fUhren die entgegengesetzt geschalteten Wicklungen gleiche Ströme, so dass sich ihre Einflüsse aufheben; bei verschieden starken Strömen in den Wicklungen dagegen-z. B. infolge eines nach dem DifferenzRelais auftretenden Erdschlusses des Phasenleiters oder aber infolge unberechtigter Strom-Entnahme des Konsumenten gegen Erde - spricht das Relais an und betätigt den Auslösemechanismus des InstallationsSelbstschalters. Damit das Differenz-Relais auch bei sehr kleinen Strom-Unterschieden anspricht and dann genügend Energie zum Betätigen des Auslösers der Schaltervorrichtung liefern kann, muss es eine
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genutzt ist, nicht in'Frage kommt.
Bekannte Differenz-Relais wurden deshalb mit einem der bei auftretenden Stromunterschieden ansprechenden Schwinganker versehen ; wird nun dessen Resonanzfrequenz auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmt, so genügt eine verhältnismässig geringe Amperewindungszahl der Wicklungen, da die Schwingungsamplitude nach einiger Zeit durch Aufschaukeln so gross geworden ist, dass für die Betätigung des Auslösers von Schaltervorrichtungen genügend Arbeit geliefert werden kann ; dieses Differenz-Relais weist jedoch den Nachteil auf, dass das Abstimmen des Schwingankers umständlich ist und dieser eine genügend grosse Schwingungsamplitude auch erst nach einer gewissen Zeit erreicht.
Nach der Erfindung werden nun bei Relais der eingangs beschriebenen Bauart die obenerwähnten Nachteile dadurch behoben, dass der Relaisanker als geschlossener Rahmen ausgebildet ist, -welcher den Spulenkern für die fest am Gestell des Relais angeordnete Relaisspule bildet und ein permanenter Arbeitsmagnet vorgesehen ist, dessen zwischen seinen Polen verlaufender magnetischer Kraftfluss einen Teil des Relaisankers durchsetzt und welcher beim Ansprechen des Relais den in einer einstellbaren Sperrstellung gehaltenen und beim Wirksamwerden der Relaisspule freigegebenen Relaisanker schlagartig anzieht, der dabei die Betätigung der Schaltervorrichtung bewirkt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein mit seinen Polen den Polen des Arbeitsmagneten gegenüberliegender Haltemagnet vorgesehen, wobei. ein T. eil des Relaizankers inden zwischen Arbeitsmagnet und Haltemagnet gebildeten Luftspalt hineinragt und von den zwischen Polen des Arbeitsmagneten sowie des Haltemagneten verlaufendelt'magnetiscl1en Kraftflüssen durchsetzt ist, wobei auf diesen Teil eine resultierende, der Auslöseeinrichtung des Relaisankers entgegengesetzte magnetische Kraft wirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein die Pole des Arbeitsmagneten umschlie- ssender Relaisanker vorgesehen, an dessen einer Seite diese Magnetpole derart näher anliegen, dass auf den
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Relaisanker eine resultierende, der Auslöserichtung des Relaisankes entgegen gerichtete magnetische Kraft wirkt.
In der Zeichnung sind mehrere AusfUhrungsbeispiele erfindungsgemäss ausgebildeter Relais dargestellt.
Es zeigen : Fig. 1 und 2 ein elektromagnetisches Differenz-Relais mit zwei Magneten sowie eine Variante des zugehörigen Magneten ; Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsformen von Relais mit nur einem permanentem Magneten ; und schliesslich Fig. 5 und 6 zwei Kraft-Weg-Diagramme.
In Fig. 1 bedeutet 1 einen aus dünnem ferromagnetischem Material hergestellten rahmenförmigen Relaisanker, der durch eine aus zwei gegensinnig geschalteten Wicklungen 2 und 3 bestehende Relaisspule erregt wird, die an einem nicht dargestellten Gestell befestigt ist ; der als Kern für die Relaisspule dienende Relaisanker 1 ist mittels zweier Zapfen 4 und 5 im Gestell des Relais drehbar gelagert und kann sich be-
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ein zweipoliger Haltemagnet 6 angeordnet, der den Anker in der dargestellten Sperrstellung hält, in welcher er an einer Einstellschraube 7 anliegt, die im Releisgestell gelagert ist und zur Einstellung des Luftspaltes zwischen Anker 1 und Haltemagnet 6 und damit zur Regulierung der vom letzteren auf den Anker ausgeübten Anziehungskraft dient ;
links vom Anker befindet sich ein Arbeitsmagnet 8, der stärker als der Haltemagnet 6 ausgebildet ist und diesem mit ungleichnamigen Polen gegenübersteht. Die Anordnung ist derart ausgebildet, dass mindestens innerhalb des zulässigen Einstellbereiches des Relaisankers 1 der zwischen Arbeitsmagneten 8 und Relaisanker eingehaltene Luftspalt immer so gross ist, dass die vom Halez magneten 6 auf den Anker ausgeübte Anziehungskraft grösser ist als die vom Arbeitsmagneten 8 auf den Relaisanker ausgeübte.
Dieses erfindungsgemässe Relais arbeitet nun folgendermassen :
Sind beide Wicklungen 2 und 3 beispielsweise in den Leitern eines an ein Wechselstromnetzangeschlossenen Verbraucherstromkreiseseingeschaltet und durch Ströme gleicher Stärke durchflossen, so heben sich die von ihnen erzeugten Wechselflüsse in dem Relaisanker 1 auf, so dass letzterer die in Fig. 1 dargestellte Sperrstellung einnimmt. Fliessen hingegen, z. B. durch Stromentnahme im Verbraucherstromkreis gegen Erde, Ströme unterschiedlicher Stärke in den Wicklungen 2 und 3, so entsteht im Relaisanker 1 ein resultierender Wechselfluss. Sobald nun die Grösse des sich aus diesem resultierenden
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benutzt werden, um den Auslösemechanismus einer Schaltervorrichtung zu betätigen, durch welche der Verbraucherstromkreis vom Netz abgeschaltet wird.
Wird die Schaltervorrichtung beispielsweise von Hand wieder eingeschaltet, wobei der Auslösemechanismus wieder in die Bereitschaftsstellung gebracht wird, so wird gleichzeitig der kraftschlüssig mit letzterem gekuppelte Relaisanker in die Sperrstellung zurückgeführt.
Dadurch, dass die Relaisspule nur das Abfallen des Relaisankers 1 zu bewirken braucht und der Ar-
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Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Relaisspule nicht auf dem Haltemagneten, sondern auf dem relativ dünnen Relaisanker angeordnet ist, so dass bei einem Kurzschluss in der Relaisspule die beiden Magnete 6, 8 nicht geschwächt werden, da der dünne Relaisanker 1 bereits bei einer verhältnismässig niedrigen Induktion gesättigt ist. Überdies ist es vorteilhaft, dass dieses Relais infolge seiner grossen Ansprechempfindlichkeit und Auslösegeschwindigkeit auch als Berührungsschutz Verwendung finden kann für Apparate, deren Gehäuse mittels eines Erdleiters verhältnismässig grossen Widerstandes geerdet sind.
Bei solchen Apparaten kann das Gehäuse, beispielsweise infolge eines Isolationsdefektes, unter Spannung zu stehen kommen, ohne dass der dadurch entstehende Erdstrom genügend gross ist, um die Schmelzsicherungen zum Ansprechen zu bringen. Bei Verwendung des erfindungsgemässen elektromagnetischen Relais als Differenz-Schutzrelais aber wird der Apparat, auch wenn er mit einer mangelhaften Erdung versehen ist, vom Netz abgeschaltet, wenn die Gehäusespannung unzulässig hoch wird.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform der Arbeitsmagnet 8 stärker ist als der Haltemagnet 6, ist dies für eine einwandfreie Funktion des Relais nicht wesentlich. Der Haltemagnet 6 kann nämlich auch stärker als der Arbeitsmagnet 8 oder aber gleich stark wie letzterer ausgebildet werden, wenn die Luftspalte zwischen diesen Magneten und dem Relaisanker 1 passend gewählt werden. Bedingung ist nur, dass die beiden Magnete 6, 8 und der Relaisanker so angeordnet sind, dass die auf den Relaisanker ausgeübten Kräfte eine der Auslöserichtung, d. h. der Bewegungsrichtung des Relaisankers beim Ansprechen, entgegengerichtete resultierende Kraft aufweisen. Weiter können der Arbeitsmagnet 8 und der Haltemagnet 6
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auch zu einem einzigen Magneten vereinigt sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Ein solcher zusam- mengesetzter Magnet 9 weist zwei Paare von ausgeprägten Polen 10-11 bzw. 12-13 auf, von denen das
Polpaar 10-11 die Funktion des Arbeitsmagneten 8 und das Polpaar 12-13 diejenige desHaltemagneten
6 erfüllt. Naturgemäss kann ferner, statt eines permanenten Magneten, ein Elektromagnet als Arbeitsma- gnet verwendet werden.
Bei der Ausführung gemäss Fig. 3, mit der sich dieselben Vorteile ergeben, wie mit derjenigen ge- mäss Fig. 1, ist ein die Pole 14-15 des Arbeitsmagneten 8 umschliessender Relaisanker 1 vorgesehen. Die
Relaisspule 16. welche wie bei der Ausführung gemäss Fig. 1 am Gestell des Relais fest angeordnet ist, weist nur eine Wicklung auf. Selbstverständlich könnte aber das Relais, durch Anordnung einer zweiten
Wicklung als Differenz-Relais verwendet werden. Der Relaisanker ist dem Arbeitsmagneten 8 an der linken
Seite näher herangeführt als an der gegenüberliegenden Seite.
Die durch den Arbeitsmagneten 8 auf den
Relaisanker 1 ausgeübten Kräfte weisen demzufolge, mindestens innerhalb des Einstellbereiches des Relais- ankers, eine entgegen der Auslöserichtung des Relaisankers gerichtete resultierende Kraft auf, so dass sich bei dieser Ausführungsform ein spezieller Haltemagnet erübrigt. Die Wirkung dieses Relais entspricht grundsätzlich derjenigen des Relais gemäss Fig. 1. Wenn der von der Relaisspule 16 erzeugte Wechselfluss dem von dem Arbeitsmagneten 8 herrührenden Gleichfluss gleich und entgegengesetzt gerichtet ist, wird der Relaisanker 1 mit grosser Geschwindigkeit durch den Arbeitsmagneten angezogen und betätigt den kraftschlüssig mit ihm gekuppelten Auslösemechanismus einer Schaltervorrichtung.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 4 : Der um eine Achse 23 drehbar angeordnete Relaisanker 1 ist hier durch ein um eine Achse 17 drehbar angeordnetes Verklinkungsorgan 18 in seiner Sperrstellung gehalten. Das Verklinkungsorgan 18 weist an seinem rechten Ende einen Anker 19 auf, der sich gegenüber Jochen 20,21 des Eisenkernes der Relaisspule 23 befindet. Zwei Gewichte 22 dienen zur Ausbalancierung des Verklinkungsorganes 18. Wird nun der Anker 19 beim Ansprechen des Relais von den Jochen 20,21 angezogen, so wird der Relaisanker 1 freigegeben, worauf-letzterer mit grosser Kraft und Geschwindigkeit durch den Arbeitsmagneten 8 angezogen wird.
In Fig. 5 ist der Verlauf der anziehenden Kraft PM des Arbeitsmagneten 8 in Abhängigkeit des vom unteren Ende des Relaisankers 1 zurückgelegten Weges dargestellt. Wie sich aus diesem Kraft-Weg-Diagramm ergibt, ist die anziehende Kraft am kleinsten, wenn sich der Relaisanker 1 in seiner Sperrstellung befindet und am grössten, wenn er an dem Arbeitsmagneten 8 anliegt. Für die bekannten Relaisausführungen, bei denen an Stelle eines Arbeitsmagneten eine Kraftspeicherfeder verwendet wird, ist das KraftWeg-Diagramm. in Fig. 6 dargestellt. In diesem Diagramm ist die von der Kraftspeicherfeder auf den Relaisanker ausgeübte Kraft mit PF und der vom unteren Ende des Relaisankers zurückgelegte Weg wiederum mit s bezeichnet. Die beim Ansprechen des Relais ausgeübte Arbeit ist für beide Diagramme gleich gross angenommen.
Aus einem Vergleich dieser beiden Diagramme geht nun deutlich hervor, dass der Verklinkungsdruck, d. h. der Druck, mit dem der Relaisanker 1 in der Sperrstellung gegen das Verklinkungsorgan 18 anliegt, für die Ausführungsform gemäss Fig. 4 erheblich kleiner ist als der Verklinkungsdruck bei einem Relais mit Kraftspeicherfeder. Bei der ersteren Ausführungsform braucht somit am Anker 19 nur eine verhältnismässig kleine Kraft aufgewendet zu werden, um den Relaisanker 1 freizugeben, so dass sie gegenüber den bekannten Ausführungsformen mit Kraftspeicherfeder eine grössere Ansprechempfindlichkeit aufweist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetisches Relais zur Betätigung des Auslösers von Schaltervorrichtungen mit einem Relaisanker und einer mindestens eine Wicklung enthaltenden Relaisspule, dadurch gekennzeichnet, dass der Relaisanker (1) als geschlossener Rahmen ausgebildet ist, welcher den Spulenkern für die fest am Gestell des Relais angeordnete Relaisspule (2-3, 16) bildet und ein permanenter Arbeitsmagnet (8) vorgesehen ist, dessen zwischen seinen Polen (N, S) verlaufender magnetischer Kraftfluss einen Teil des Relaisankers (1) durchsetzt und welcher beim Ansprechen des Relais den in einer einstellbaren Sperrstellung gehaltenen und beim Wirksamwerden der Relaisspule (2-3, 16)-freigegebenen Relaisanker (1) schlagartig anzieht, der dabei die Betätigung der Schaltervorrichtung bewirkt.