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Regelbares elektrisches Relais mit hoher Empfindlichkeit
Die Erfindung betrifft ein regelbares elektrisches Relais mit hoher Empfindlichkeit, das aus einem
Permanentmagneten mit zwei Polstücken, die mit dem Relaisanker zusammenarbeiten, wenigstens einer elektrischen Wicklung und einem magnetischen Nebenschluss zwischen den Polstücken besteht, mit ge- ringer Leistung zum Ansprechen gebracht werden kann und dessen Auslöseempfindlichkeit darüber hinaus in weiten Grenzen regelbar ist.
Es sind bereits sogenannte polarisierte Relais bekannt, welche zwei Polstücke besitzen, die mit einem Relaisanker zusammenwirken, wobei der magnetische Fluss in den erwähnten Polstücken die ma- gnetische Induktion einerseits mittels eines Permanentmagneten und anderseits mittels einer Wicklung erzeugt, die durch einen elektrischen Strom durchflossen werden kann. Der durch die Wicklung erregte
Magnetfluss erhöht entweder den Magnetfluss der Permanentmagneten oder verringert diesen. Jedoch ist in diesem Relais der magnetische Widerstand des Permanentmagneten derart hoch, dass die elektroma- gnetische Kraft, welche zur Vernichtung des Magnetflusses des Permanentmagneten in den Polstücken erforderlich ist, die praktisch verfügbaren Werte übersteigt.
Man hat daher in solchen Relais einen magnetischen Nebenschluss zwischen den beiden Polstücken angebracht, durch welchen sich der von der Wicklung erzeugte Magnetfluss schliessen kann. Der Magnetfluss des Permanentmagneten schliesst sich jedoch ebenso durch diesen Nebenschluss und die magnetomotorische Kraft an den Enden der Polstücke ist gleich dem Maximum jener zwischen den Anschlussstellen des Nebenschlusses. Das magnetische Material, aus dem der magnetische Nebenschluss besteht, muss im wesentlichen gesättigt sein, um eine ausreichende magnetomotorische Kraft zu ergeben.
Daher hängt einerseits die Charakteristik der Wirkungsweise des Relais von der Charakteristik der Ma- gnetisierungskurve des Materials ab, aus welchem der Nebenschluss besteht, welche Charakteristik in der Praxis für jedes Material verschieden ist und anderseits erfordert, wenn das Material im wesentlichen gesättigt ist, jede Änderung des Magnetflusses eine hohe Ampère-Windungszahl. d. h. eine hohe Magnetisierende Kraft, welche die Herstellung eines Relais mit hoher Empfindlichkeit verhindert. Daher werden solche polarisierte Relais durchwegs für Steueranordnungen verwendet, für welche eine hohe Steuerleistung verfügbar ist.
Die Erfindung hat demgegenüber den Zweck, ein polarisiertes Relais zu schaffen, welches mit geringer Erregerleistung, von der Grössenordnung einiger hundert Mikrovolt-Ampère. arbeitet und in Überwachungsapparaten verwendbar ist sowie in andern Fällen, in denen ein Thermoelement als Stromquelle verwendet werden soll.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein elektrisches Relais der eingangs genannten Art. welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Nebenschluss durch zwei plattenartige Teile gebildet ist, die zwischen sich eine Trennschicht aus unmagnetischem Material oder Luft von im Verhältnis zur Fläche der Polstückenden grosser Oberfläche und einer Dicke von weniger als 1 mm besitzen, wobei die Relaiswicklung eines oder beide Polstücke zwischen den Platten und den Polstückenden umgibt.
Die Regelung der Empfindlichkeit wird dadurch erreicht, dass man den Magnetfluss, der in dem Relais durch den Permanentmagneten erregt wird, dosiert u. zw. insbesondere, indem man die Pole des Magneten im Verhältnis zu den Polstücken verstellt, um so die Stärke des Hauptflusses des Relais zu ändern, oder indem man einen magnetischen Nebenschluss vorsieht, der fest oder regelbar ist, um den
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Magnetfluss durch den Anker des Relais zu dosieren.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jedes Polstück, das im wesentlichen zylindrische Form aufweist, an seinem mit dem Anker zusammenarbeitenden Ende einen kleineren Durchmesser als in dem die Wicklung tragenden Bereiche, wobei die Endflächen poliert sind, derart, dass zwischen ihnen und dem Anker ein Luftspalt von einigen Mikrons besteht.
Jedes Polstück besitzt ferner vorzugsweise an seinem dem Anker entgegengesetzten Ende einen Ansatz von grösserem Durchmesser, auf welchen - eine Platte von magnetisch-hochwertigem Metall aufgesetzt ist, die zur Bildung des magnetischen Nebenschlusses dient und eine Oberfläche besitzt, die wesentlich grösser ist als die Endflächen der Polstücke, wobei ferner diese Platten je eine Öffnung aufweisen, welche den Durchtritt des jeweils and. ern Polstükkes unter Belassung eines beträchtlichen Luftspaltes gestattet. Die Platten sind überdies in der Längsrichtung gegeneinander um die Dicke einer als Zwischenlage dienenden, dünnen Schicht versetzt.
Die Nebenschlussplatten mit der unmagnetischen Zwischenschicht sind zweckmässig miteinander und mit einer weiteren Platte aus unmagnetischem Metall mittels Nieten aus unmagnetischem Material verbunden. Der im wesentlichen kreisförmige Permanentmagnet ist vorzugsweise axial durchbohrt und durch Verschraubung mittels eines unmagnetischen Elementes an einer Platte festgehalten.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele des Relais und verschiedener Anwendungen desselben unter Bezug auf die anliegende Zeichnung.
In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 einen Schnitt durch die Polstücke einer ersten schematischen Ausführungsform des Relais, Fig. 2 eine Seitenansicht des Relais von links in Fig. l ohne elektrische Wicklung, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der auseinandergenommenen Einzelteile des Relais in einer zweiten Ausführungsform} Pig. 4 einen Axialschnitt durch die Polstücke des Relais gemäss Fig. 3. in montiertem Zustand, Fig. 5.
Kurven zur Erklärung des Unterschiedes eines Relais mit eisengeschlossenem Nebenschluss gegenüber einem Relais mit einem Nebenschluss mit Luftspalt, Fig. 6 das elektrische Schema eines Relais gemäss der Erfindung, das ein übliches Relais ersetzt, eingebaut in einen Fehlstromsicherheiisschalter, die Fig. 7 eine schematische Darstellung des Relais nach den Fig. 3 und 4, der in einen Schalter eingebaut ist, der sich in geschlossener Stellung befindet und Fig. 8 ein Schema der Montage eines Relais gemäss der Erfindung in der Verwendung für eine automatische Vorrichtung zum Absperren einer Gasleitung beim Erlöschen der Flamme.
Das Relais gemäss den Fig. 1 und 2 enthält zwei Polstücke l, die fest in eine Platte 2 aus Rotkupfer eingesetzt sind, deren Rand umgebördelt ist, so dass eine runde Schale entsteht. Auf jedem Polstück 1 ist eine Platte aus Weicheisen 4 fest aufgesetzt, welche eine Polmasse bildet. Jede Platte 4 enthält eine Öffnung 5, durch welche das andere Polstück 1 mit Spiel hindurchtritt. Zwischen den beiden Platten ist eine Glimmerscheibe 6 eingelegt und die durch die beiden Platten 4 und die Glimmerscheibe 6 gebildete Einheit ist durch Kupfernieten 7 zusammengehalten. Diese Anordnung gestattet das übliche Ausglühen mit hoher Temperatur nach der Bearbeitung, um die besten magnetischen Eigenschaften zu erhalten.
Der Magnet 8 ist ein Permanentmagnet von im wesentlichen zylindrischer Form, der in die Schale 3 eingesetzt ist und sich auf die Enden der Polstücke stützt. Der Anker 9 ist aus magnetisch hochwertigem Material gebildet und liegt am andern Ende der Polstücke. Die Windungen der Wicklung 10 sind auf einem Polstück oder auf beiden Polstücken l zwischen den Platten 4 und den Enden der Polstücke, die mit dem Anker zusammenwirken, angebracht.
Es ist klar, dass der Permanentmagnet 8 einen Gesamtmagnetfluss erzeugt, von dem ein Teil sich über die Platten 4 schliesst. Die Grösse dieses Magnetflusses kann durch Drehung des Magneten 8 in der Schale 3 verändert werden. Wenn die Pole des Magneten 9 sich in Übereinstimmung mit der Achse der Polstücke 1 befinden, ist der im magnetischen Kreis über die Polmassen geschlossene Magnetfluss ein Maximum, und er ist Null, wenn die Verbindungslinie der Pole des Magneten 8 auf der durch die Achsen der Polstücke 1 definierten Ebene senkrecht steht.
Der Magnetfluss der sich über die Polmassen 4 und deren durch die Glimmerscheibe gebildeten Luftspalt schliesst, erzeugt eine magnetomotorische Spannung, welche einen Magnetfluss ergibt, welcher über die Polstücke 1 und den Anker 9 verläuft und eine Funktion des magnetischen Widerstandes des Magnetkreises und der erwähnten magnetomotorischen Spannung ist.
Schliesslich erzeugt die Wicklung 10 in dem Kreis, der durch die Polstücke 1, die Polmasse 4 und den Anker 9 gebildet ist, einen Magnetfluss, welcher entweder gegen oder in gleicher Richtung mit dem durch die magnetomotorische Kraft erzeugten Magnetfluss wirken kann, je nachdem, welche Anwendung erwünscht ist. Wenn dieser durch die Wicklung erzeugte Magnetfluss entmagnetisierend wirkt, kann man durch passende Wahl der Werte des magnetischen Kreises sowie der Materialien ein Minimum von ma-
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flächenrung 16 für den Durchtritt des später beschriebenen Ankerbolzens sowie Bohrungen 17 für Nieten.
Eine Scheibe 18 aus unmagnetischem Material von 100 Mikron Dicke und dem gleichen Durchmesser wie die Scheiben 14, sowie mit diametral gegenüberliegenden Bohrungen 19 mit dem Durchmesser der Ansätze 11 und den Löchern 20 und 21, weiche den Löchern 16 und 17 entsprechen, liegt unmittelbar auf der Scheibe 14a. Sie nimmt in der Bohrung 19 den Ansatz 11 des zugehörigen Polstückes auf. Man montiert darauf anschliessend die Scheibe 14b, welche das zugehörige Polstück trägt, deren Teil 13 und 12 durch die Scheibe 18 und die Scheibe 14a hindurchgehen, wobei jener Teil des Ansatzes 11, welcher von der Scheibe 14b absteht, in die Bohrung 15 der Scheibe 14a mit Spiel eingreift.
Die so vereinigten Teile bilden den magnetischen Teil der Polstücke und den Nebenschluss des Relais. Sie sind festgelegt und miteinander verbunden durch Verbindungsnieten aus unmagnetischem Material, welche in die Löcher 17 und 21 eingesetzt sind und welche sie weiterhin mit einer Tragplatte 22 aus Aluminium od. dgl. verbinden. Die Tragplatte besitzt Bohrungen 23 für den Durchtritt der Ansätze 11 und eine zentrale mit Muttergewinde versehene Bohrung 24, die den Bohrungen 16 und 20 entspricht.
Ein Permanentmagnet 25, der in seinem kreisförmigen Umfangsteil einen Durchmesser besitzt, der etwas grösser ist als der Abstand der äussersten Punkte der Ansätze 11 ist auf diese aufgesetzt und wird durch eine federnde Unterlagsscheibe 26 festgehalten, welche durch einen unmagnetischen Bolzen 27 gehalten wird, der durch eine zentrale Bohrung des Magneten und in die Muttergewindebohrung 24 eingeschraubt ist. Das Bolzenstück 27 ist axial durchbohrt und dient als Führung für den Ankerbolzen. Der Magnet 25 ist um den Bolzen 27 drehbar und durch die Unterlagsscheibe 26 in seiner Lage fixiert.
Die Wicklungen 27 sind auf die Bolzen 12 aufgewickelt und in Serie geschaltet. Sie werden durch eine Spulenhalteplatte 29 in ihrer Lage fixiert, die aus Kunststoff besteht und die Enden der Polstücke umgreift, wobei ein Endstück 13 frei bleibt. Sie besitzt zwei Zapfen 30, welche als Führung für den Anker dienen, und ihre Aussenfläche besitzt rund um die Bohrung des Ankers eine kreisförmige Ausnehmung, um einen Platz für die Aufnahme der Basis einer konischen Spiralfeder 31 zu bilden.
Der Ankerbolzen 32 durchquert axial die oben beschriebenen Elemente 29,14, 18,22, 25,26 und 27. Er trägt an seinem Ende an der Seite der Polstücke den Anker 33 aus magnetisch hochwertigem Material. Sein anderes Ende weist eine Rille 34 auf, in welches ein Haltescheibchen 35 eingreift.
Das so entstandene hochempfindliche Relais löst einwandfrei bei einer Leistungsaufnahme in der Grössenordnung von 400 Mikrovolt-Ampere aus. Das Relais hat einen Platzbedarf von ungefähr 2, 5 cm Durchmesser und 2, 5 cm Länge und seine Anziehungskraft liegt in der Grössenordnung von 100 g.
Um ein solches Relais für die Rückstellung durch die Auslösung eines Schalters brauchbar zu machen, bringt man eine elastische Lamelle 36 an, welche bei 37 seitlich an der Tragplatte angreift, sich auf das ankerseitige Ende des Bofzens 32 stützt und an ihrem freien Ende durch ein Trägheitsgewicht 38 belastet ist. Die Krümmung der Lamelle 36 ist derart, dass sie einen Druck auf die Endflächen der Polstücke gegen die Wirkung der Feder 31 ausübt. Sie besitzt ausserdem einen Kupplungsfinger 39.
In Fig. 6 ist ein Anwendungsbeispiel eines hoch empfindlichen Relais der oben beschriebenen Art in einem Sicherheitsschalter dargestellt, welcher mit Erdschlussfehlstrom arbeitet. Schaltungsanordnungen welche durch einen Transformator betätigt werden, wobei man durch einen Fehlerstrom ausgelöst, die Störung des Gleichgewichtes zwischen dem Nulleiter und einer Phase verwendet, sind im Prinzip bekannt, aber diese Anordnungen verwenden teils. Elektromagneten, teils Magnetrelais mit permanenten Magneten der bekannten Art, welche verschiedene Nachteile aufweisen. Die ersteren benötigen eine hohe Magnetisierungskraft und der Schwellwert des Magnetflusses erzeugt in der Wicklung eine gegenelektromotorische Kraft, welche so gross ist, dass der induktive Widerstand ein Vielfaches des ohm'sehen Widerstandes betragen kann.
Die Grösse des Stromes zur Erzielung des Anziehens des Ankers ist mit Rücksicht auf die magnetisierende Kraft und den induktiven Widerstand mit der Empfindlichkeit unvereinbar, welche nötig ist, um die sehr kleinen, aber aus Sicherheitsgründen schon unzulässig hohen Fehlströme zu erfassen. Die zweitgenannte Relais arbeiten mit einem Magnetfluss, der den Magnetfluss des permanenten Magneten vernichtet, aber dieser entgegenwirkende Magnetfluss, welcher den permanenten Magneten nicht durchdringt, verlangt eine sehr hohe Entmagnetisierungskraft, da die Koerzitivkraft im allgemeinen sehr hoch ist. Dieser entgegenwirkende Magnetfluss bildet sich nur durch Fehlerströme bei einem hohen magnetischen Widerstand, welcher bei dieser zweiten bekannten Relaisgruppe den Schutz gegen Fehlerströme von geringer Stärke nicht erreichen lässt.
Sie sind daher für das Erfassen von Fehlerströmen in der Grösse von einigen Milliampère nicht verwendbar.
Das beschriebene hochempfindliche Relais gestattet die Lösung dieses Problems. Zu diesem Zwecke wird der Anker 9 des Relais (Fig. 6) mit der Schaltstange 41 des Schalters 42 fest verbunden und wirkt gegen die Kraft einer Öffnungsfeder 43. Zur Speisung des Relais dient ein Transformator für Fehlerströme, welcher in bekannter Weise aus einem geschlossenen Magnetkreis 44 besteht, auf welchem Wick-
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