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Hochempfindliches Relais
Es sind bereits Relais mit einem Magnetkreis bekannt, bei dem ein Permanentmagnet in einem Kreis von Polstäben und des Ankers einen Magnetfluss erzeugt, der durch einen von einer Spule erzeugten Fluss verstärkt oder aufgehoben werden kann.
Derartige Relais sind nicht empfindlich, da der durch die Spule erzeugte Fluss sich über den Perma- nentmagneten, der einen erhöhten Widerstand darstellt, schliessen muss, so dass jede Veränderung des
Flusses in einem derartigen Kreis eine grosse Anzahl von Amperewindungen erfordert, Um in diesem Relais die Empfindlichkeit zu erhöhen, ist vorgeschlagen worden, einen magnetischen Nebenschluss vorzusehen, der durch ein Stück aus magnetischem Material, das zwischen den beiden Polstäben angeordnet ist ermög- licht wird. Der Gesamtfluss des Permanentmagneten teilt sich dabei auf den Kreis, der durch einen Teil der Polstäbe und das Nebenschlussstück und den Kreis, der durch das Nebenschlussstück, die Polstücke und den Anker gebildet ist auf. Die Teilung des Flusses ist vom Widerstand der beiden Kreise abhängig.
Um im Ankerkreis einen ausreichenden Fluss zu erhalten, ist es notwendig, im Nebenschlusskreis einen relativ hohen Widerstand vorzusehen. Dazu werden in Sättigung vormagnetisierte Nebenschlussstücke aus Eisen verwendet. Dabei bleibt jedoch die zur Erzielung des Ankerflusses durch den Nebenschlusskreis erforderli- che magnetomotorische Kraft sehr hoch.
Dieser Nachteil sollte durch einen magnetischen Nebenschlusskreis mit Luftspalt vermieden werden.
Die auf diese Weise erhaltenen Relais sind wesentlich sensibler als die zuvor genannten. Es bestand jedoch das Erfordernis, die Empfindlichkeit dieser Art von Relais noch weiter zu erhöhen.
Es ist auch möglich, einen ausreichenden Fluss im Ankerkreis bei einem Nebenschlusskreis aus Eisen mit geringem Widerstand zu erhalten, wenn der durch den Nebenschlusskreis führende Fluss sehr hoch ist, da sich der Fluss zwischen den beiden Kreisen in umgekehrtem Verhältnis der Widerstände aufteilt. Bei den bisher bekannten Relais mit Nebenschluss, in denen sich der Nebenschlusskreis über die Polstücke schliesst, kann dieser Gesamtfluss nicht erhöht werden, da die Polstücke aus einem hochmagnetischen Material bestehen und schnell gesättigt sind.
Zur Regelung der Empfindlichkeit von Relais mit magnetischem Nebenschlusskreis ist vorgeschlagen worden, den Permanentmagneten gegenüber den Polstäben zu verdrehen, wodurch der in den Magnetkreisen des Relais erzeugte Fluss verändert wird. Bei dieser Steuerung verändert sich der erzeugte Fluss in den angestrebten Grenzen in dem Abschnitt der Drehung, in dem die Polstäbe den Magneten verlassen, wodurch eine Feinsteuerung möglich ist. Es ist jedoch bekannt, dass sich die Magnetisierung eines Permanentmagneten nur dann erhält, wenn er ständig durch einen magnetischen Kreis geringen Widerstandes geschlossen ist. Diese Voraussetzung besteht jedoch bei den bekannten Einrichtungen nicht.
Es sind weiters auch Relais bekannt, die einen Permanentmagneten aufweisen, welcher zwischen zwei nicht eisengeschlossenen Magnetkreisen, die voneinander unabhängig sind, angeordnet ist, wobei sich der Magnetfluss über Luftspalte zwischen den Enden der Polstücke schliesst. Nach einer etwas abgewan- delten Ausführungsform enthält der ebenfalls nicht eisengeschlossene magnetische Kreis zwei symmetrische Zweige, deren Magnetfelder durch die elektromagnetische Kraft der Wicklungen verändert werden.
Die Erfindung, die ein hochempfindliches Relais, bestehend aus einem Permanentmagneten und einem magnetischen Nebenschlussstück mit zwei Polstäben, die mit einem Anker zusammenwirken und von denen mindestens einer eine Wicklung trägt, betrifft, beseitigt die Nachteile bekannter derartiger Relais.
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Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Permanentmagnet mit einem Stück aus ferromagne- tischemMaterialgrossen Querschnitteseinen eisengeschlossenenMagnetkreis bildet und dass die beiden Pol- stäbe, die einen kleineren Querschnitt als das aus hochpermeablem ferromagnetischem Material bestehen- de Nebenschlussstück aufweisen, in dieses fest eingesetzt sind.
Dabei wirkt der Permanentmagnet nicht mehr direkt mit den Polstäben zusammen, sondern mit dem
Nebenschlussstück, wodurch die erfindungsgemässen Vorteile erzielt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Nebenschlussstück durch eine starke, zylindrische
Schale gebildet, an deren Umfangsränder der Permanentmagnet mit seinen Polen aufliegt und sind die
Polstäbe, die kreisförmigen Querschnitt aufweisen, am Nebenschlussstück an zwei diametral gegenüber- liegenden Punkten angeordnet. Weiters ist dabei der Permanentmagnet um seine Achse drehbar und so- mit relativ zur Axialebene der Polstücke verstellbar. Auch kann auf der vom ersten Nebenschlussstück ab- gekehrten Seite des Magneten ein in seiner Lage zu diesem verstellbares zweites Nebenschlussstück an- geordnet sein, welches axial verschiebbar sein kann, wodurch die Grösse des Luftspaltes gegenüber dem
Magneten veränderbar ist und welches drehbar sein kann, wodurch seine den Magnetpolen gegenüberlie- gende Fläche veränderbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand von Zeichnungen an Ausführungs- beispielen näher erläutert.
Es zeigen : Fig. 1 einen Axialschnitt eines schematisierten Relais in geöffneter Stellung, Fig. 2 das- selbe Relais in geschlossener Stellung, Fig. 3 dasselbe Relais im Augenblick des Ansprechens, Fig. 4 das Relais der Fig. 1 - 3 von links gesehen, Fig. 5 ein Diagramm des Flusses im Nebenschlussstück, Fig. 6 einen Axialschnitt eines Ausführungsbeispieles des Relais, Fig. 7 eine axionometrische Darstellung des Relais in auseinandergenommerer Stellung, Fig. 8 einen Axialschnitt eines andern Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Relais und Fig. 9 eine axionometrische Darstellung des Relais nach Fig. 8 in auseinandergenommener Stellung.
Das Relais gemäss der Erfindung besteht im wesentlichen aus einem Permanentmagneten 1, einem schalenförmigen Teil 2 aus Weicheisen, durch den ein magnetischer Nebenschluss ermöglicht wird und aus zwei Stäben 3 aus magnetischem Material mit hoher Permeabilität. Diese Stäbe 3 bilden Polstücke und sind in ihrer Wirkung ähnlich einemPotentiometer, an zwei Punkten mit dem magnetischen Nebenschlussstück 2 verbunden. Darüber hinaus weist das Relais Wicklungen oder Spulen 4, deren Kerne durch die Stäbe 3 gebildet werden sowie einen Anker- oder Plattenteil 5 aus magnetischem Material mit grosser Permeabilität und eine Feder 6, die auf den Anker 5 eine der magnetischen Zugwirkung entgegengerichtete Kraft ausübt, auf.
Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt der Magnet 1 im schalenför- migen Nebenschlussstück 2 einen Kraftfluss. An diesem Nebenschlussstück 2 sind in den Punkten N1 und S die Stäbe 3 befestigt. Wenn bei diesem Relais der Luftspalt zwischen dem Anker 5 und den Stäben 3 eine Stärke von 2 Mikron und einen Querschnitt von 0,05 cm aufweist und wenn die erforderliche Induk- tion, um die gewünschte Anzugskraft des Ankers gegen die Zugkraft der Feder unter Berücksichtigung eines gewissen Sicherheitsabstandes aufrechtzuerhalten, etwa 5000 Gauss beträgt, dann muss der magnetische Fluss in dem die Luftspalte enthaltenden Magnetkreis des Ankers : 5000. 0, 05 = 250 Maxwell betragen.
Ist nun die magnetische Permeabilität der Polstäbe 3 und des Ankers 5 sehr hoch, so braucht im Kreis der Polstäbe 3 nur der magnetische Widerstand der Luftspalte berücksichtigt zu werden. Dieser magnetische Widerstand, der 0, 0004 : 0, 05= 0, 008 beträgt, erfordert eine magnetomotorische Kraft von 1, 6 Ni, um einen Fluss von 250 Maxwell durchzuleiten.
Wenn das Relais geschlossen ist (Fig. 2), verteilt sich der gesamte Fluss OF des Permanentmagneten auf die beiden Kreise. Die Abschnitte des Nebenschlusses und die magnetomotorische Kraft des Permanentmagneten sind so ausgewählt, dass der Gesamtfluss ! 2250 Maxwell beträgt, von dem 2000 Maxwell,
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zwischen den Punkten Ngetragen.
Wenn man zum Zwecke der Erklärung die magnetomotorische Kraft die an den Rändern des Neben- ! chlussstückes. die durch den Dauermagneten erzeugt wird, mit 3 Ni annimmt, ergibt sich daraus, dass ier Gesamtwiderstand des Nebenschlusses 0, 00178 sein muss. Ist der Ankerkreis geöffnet, so nimmt der esamtfluss µ im Nebenschluss den Wert
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Wicklung 4 erzeugte magnetomotorische Kraft von 0 auf 1, 685 Ni ansteigt, findet die Auslösung für eine Anzahl von Amperewindungen in der Spule 4 zwischen 0 und 1, 685 Ni statt.
Wenn der magnetische Widerstand des Nebenschlusses variiert und der Wert 1, 685 Ni nichterreicht wird, ist es ebenfalls zweckmässig, einen Nebenschluss mit maximaler Permeabilität zu wählen, und, wenn möglich, ein Verhältnis $o/$p-$ ebenfalls in der Nähe von 1 zu erhalten (Fig. 5).
Für eine Steuerung des Relais kann man die magnetomotorische Kraft zwischen den Punkten N und S variieren lassen. Bei den bisher bekannten Relais mit rotierenden Magneten wird eine Änderung der magnetomotorischen Kraft durch Änderungen des Flusses im Magnetkreis erhalten. Diese Veränderung wird durch Verminderung des Luftspaltabschnittes an der Verbindung zwischen dem Magneten und dem magnetischen Kreis erhalten. In der Praxis verläuft eine derartige Veränderung in Abhängigkeit von der Rotation des Magneten sehr schnell und plötzlich, so dass eine Steuerung schwierig ist.
Bei dem Relais gemäss der Erfindung (Fig. 4), bei dem der Nebenschluss 2 die Form einer zylindrischen Schale besitzt mit einer grossen Umfangsbahn 7, auf der sich die Pole des kreisförmigen Magneten 1 abstützen, wobei vorzugsweise seitliche Abflachungen 8 vorgesehen sind, ist der Gesamtfluss im Nebenschluss konstant und maximal, u. zw. auf Grund des schwachen Widerstandes der Luftspalte mit grossem Flächenkontakt und geringer Stärke. Da die magnetomotorische Kraft zwischen zwei Punkten eines Magnetflusses proportional zur Entfernung dieser Punkte ist, gemessen parallel zur Achse des Flusses, variiert die elektromotorische
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der magnetischen Achse des Magneten 1 mit der Achse NlSl gebildet wird.
Da der Gesamtfluss des Nebenschlusses durch den Permanentmagneten 1 und durch die Charakteristiken des Nebenschlusses in Form der Schale 2 bestimmt ist, ergeben sich die Veränderungen der magnetomotorischen Kraft im Ankerkreis als eine präzise Sinusfunktion des Winkels ct. Wenn man in bekannter Weise den Gesamtfluss des Nebenschlusses variiert, beispielsweise durch einen zweiten Nebenschluss, der ein Teil des Flusses des Permanentmagneten ablenkt, ergibt sich der Wert der magnetomotorischen Kraft als Funktion dieses neuen Flusses ; jedoch gibt die Drehung des auf diese Weise durch Drehung des Magneten und des Sekundär-Nebenschlusses veränderten Flusses noch eine sinusförmige Veränderung der magnetomotorischen Kraft.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine zweckmässige Ausführungsform des oben beschriebenen Relais. In die- ; ein Relais ist ein kreisförmiger Permanentmagnet 1 mit zwei Abflachungen 8 an seinem Umfang vorgesehen. Wie weiter unten beschrieben werden wird, kann dieser Magnet um eine Achse aus nichtmagneti- ; chem Metall drehen, die in einer Axialbohrung 9 durch den Magneten hindurchgeführt ist. Der Magnet 1 arbeitet mit einem kreisförmigen Nebenschluss in Form einer Schale 2 aus magnetischem Weicheisen zu- ; ammen, dessen Rand 7 eine kreisförmige Krone bildet, auf der sich die äusseren Enden des Dauermagneten 1 abstützen können. Die Schale 2 besitzt ebenfalls eine Axialbohrung 10.
Ihre Stärke ist derart, dass ? ei dem durch den Permanentmagneten erzeugten Fluss der Nebenschluss eine maximale Permeabilität aufweist, und dass der Magnetfluss im Nebenschluss wesentlich unterhalb des Sättigungsflusses liegt.
Am Boden der Schale 2 sind an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten Bohrungen angeordnet, ln denen die Enden der beiden zylindrischen Stäbe 3 befestigt sind. Diese Stäbe 3 bestehen aus einem lochmagnetischen Material, d. h. sie besitzen eine maximale Permeabilität. Um dennoch eine ausrei- tende Induktion in den Luftspalten des Ankers zu erhalten, sind die Enden 11 der Stäbe oder Polstücke 3 nit einem verringerten Durchmesser ausgebildet. Die Oberfläche der Enden dieser Polstücke ist mit msserordentlicher Präzision poliert, um den Widerstand der Luftspalte möglichst weit zu vermindern.
) urch dlese Massnahme wird ein Luftspalt gegenüber der Platte von einigen Mikron gesichert.
Auf den Stäben 3 sind zwei in Serie miteinander verbundene Wicklungen 4 angeordnet. Sie werden lurch eine Platte 12 aus Plastikmaterial in ihrer Lage gehalten. Diese Platte erfasst die Polstücke, lässt edoch die Enden 11 frei. Die Halterungsplatte weist zwei Nocken 13 auf, die zur Führung am Anker dieten. Auf der Aussenfläche ist um die zentrale Bohrung 14 der Halterungsplatte eine kreisförmige Ausnehnung angeordnet, die das zugekehrte Ende einer konischen Spiralfeder 15 aufnimmt. Die Spiralfeder 15
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entspricht der Feder 6.
Der Ankerbolzen 16 erstreckt sich axial durch die Bohrungen 9, 10 und 14, durch den Permanentmagneten l, den schalenförmigen Nebenschluss 2 und die Halterungsplatte 12 der Spulen hindurch. An dem den Enden 11 der Polstücke zugeordneten Ende des Bolzens ist der Anker 5 aus einem hochmagnetischen Material angebracht. An den Enden des Bolzens 16 sind Nuten vorgesehen, in die kreisförmige Gegenplatten 17 einfassen.
Das Relais gemäss Fig. 8 stimmt in seinem wesentlichen Teil mit dem vorstehend beschriebenen überein. Die gleichen Bauelemente sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dagegen ist die Bohrung 10 der Schale 2 mit einem Gewinde versehen, um das Ende eines hohlen Schraubenbolzens 18 aufzunehmen, in dem der Ankerbolzen 16 verschieblich gelagert ist. Die Bohrung 9 des Magneten 1 ist vergrössert, um den Durchgang des Schraubenbolzens 18 zu ermöglichen. Ein Sekundär-Nebenschluss in Form einerSchale 19 aus Weicheisen, in der Form dem Nebenschluss 2 entsprechend, ist auf dem Schraubenbolzen 18 angeordnet, wobei derRand gegen den Magneten 1 gekehrt ist. Ein Abstand zwischen dem Magneten 1 und demNebenschIuss 19 wird durch eine Feder 20 aufrechterhalten. Der Abstand kann durch Drehen des Schraubenbolzens 18 verändert werden.
Die Veränderung des Luftspaltes zwischen dem Magneten 1 und
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erzeugten Flusses. Die Rotation des Permanentmagneten 1 ermöglicht eine sinusförmige Veränderung der magnetomotorischen Kraft, die zwischen den beiden Stäben 3 durch den Fluss erzeugt wird, dessen Wert selbst durch den Nebenschluss 19 gesteuert wird.
Fig. 9 zeigt eine Variante in der Ausführungsform des Steuerteiles, bei der die Steuerung allein durch Rotation eines Sekundär-Nebenschlusses 21 bewirkt wird. Zu diesem Zweck wird der Magnet 1 unver- schieblich durch Anschläge 22 in seiner Stellung gehalten, die gegen die Abflachungen 8 anliegen. Der
Sekundär-Nebenschluss 21 besitzt die Form einer zylindrischen Schale, jedoch mit Abflachungen 23, derart, dass die Oberfläche des Luftspaltes zwischen dem Nebenschluss 21 und dem Magneten 1 verändert werden kann. Der Sekundär-Nebenschluss 21 wird durch eine elastische Kappe 24, die durch den Schraubenbolzen 18 unter Spannung gehalten wird, gegen den Magneten 1 gedrückt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. HochempfindlichesRelais, bestehend aus einem Permanentmagneten und einem magnetischen Ne- benschlussstück mit zwei Polstäben, die mit einemAnker zusammenwirken und von denen mindestens einer eine Wicklung trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (1) mit einem Stück (2) aus ferromagnetischemMaterial grossen Querschnittes einen eisengeschlossenenMagnetkreis bildet und dass die beiden Polstäbe (3), die einen kleineren Querschnitt als das aus hochpermeablem ferromagnetischem Material bestehende Nebenschlussstück (2) aufweisen, in dieses fest eingesetzt sind.