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Wechselstrommagnet, insbesondere zur Verwendung als Schütz Die Erfindung
betrifft einen Wechselstrommagneten, insbesondere zur Verwendung als Schütz, bestehend
aus einem Kern mit drei Schenkeln, von denen ein äußerer einen Kurzschlußring trägt,
während der andere äußere Schenkel eine geringere Permeabilität aufweist als die
beiden anderen Schenkel, weiter aus einem mit dem Kern zusammenwirkenden beweglichen
Teil, der durch eine Tragplatte gebildet wird, die um senkrecht zur Schichtung des
Kernes angeordnete Drehzapfen schwenkbar ist, deren Achse in der Ebene der Polflächen
der Kernschenkel jenseits des Schenkels mit der geringeren Permeabilität liegt,
weiterhin bestehend aus einem mit den Polflächen des Kernes zusammenwirkenden Anker,
der mit Spiel in der Tragplatte gehaltert ist und zu Beginn seiner Abhebebewegung
von den Polflächen des Kernes unter der Wirkung eines auf die ihn haltende Tragplatte
wirkenden Rückstellmoments zunächst um die dem Drehzapfen der Tragplatte am nächsten
liegende Polflächenkante schwenkbar ist.
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Bei derartigen bekannten Wechselstrommagneten wird es als sehr nachteilig
empfunden, daß ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu Elektromagneten, die mit Gleichstrom
gespeist werden und die gleichen technischen Daten besitzen, wesentlich geringer
ist.
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Bei Wechselstrommagneten wird nämlich nicht nur der von der Erregerspule
erzeugte magnetische Fluß nach jeder Halbwelle zu Null, sondern es wird vielmehr
auch noch ein Teil dieses Flusses dazu benutzt, um einen Strom in dem Kurzschlußring
zu erzeugen, und die dafür erforderliche Energie wird nur teilweise in Form eines
magnetischen Flusses zurückgewonnen, der die Anziehungskraft zwischen dem Anker
und dem Magnetkern aufrechterhält, wenn der von der Erregerspule erzeugte magnetische
Fluß nach jeder Halbwelle des Wechselstroms zu Null geworden ist.
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In der Praxis hat es sich gezeigt, daß der Verbrauch an elektrischer
Energie für die Aufrechterhaltung der Erregung eines Wechselstrommagneten mindestens
zehnmal so groß ist wie für einen Gleichstrommagneten vergleichbarer Leistung. Die
auftretenden Energieverluste werden in Wärme umgesetzt. Mit Rücksicht auf die zulässige
Erwärmung des gesamten Gerätes kann man daher die Erregung eines Wechselstrommagneten
nicht über ein bestimmtes Maß hinaus vergrößern, um den schlechten Wirkungsgrad
des Wechselstrommagneten auszugleichen.
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Um mechanisch beispielsweise die elektrischen Kontakte eines Relais
oder eines Schaltschützes in Bewegung zu setzen, muß der Elektromagnet gegen eine
Rückstellkraft arbeiten, die im allgemeinen von einer Feder geliefert wird. Diese
Rückstellfeder übt ein praktisch konstantes Moment auf die Tragplatte aus, das versucht,
den Anker vom Magnetkern wegzuschwenken, solange der Anker vom Elektromagneten angezogen
ist.
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Weiter oben wurde bereits erwähnt, warum es nicht möglich ist, die
Erregung eines solchen Wechselstrommagneten und damit die Anziehungskraft des Magnetkerns
auf dem Anker zu vergrößern. Weiter ist noch zu berücksichtigen, daß sich die Anziehungskraft
des Elektromagneten infolge von Netzspannungsschwankungen beträchtlich vermindern
kann. Es ist jedoch unbedingt erforderlich, daß der Elektromagnet auch bei den größtmöglichen
Spannungsabfällen, die normalerweise in einem Verteilernetz zugelassen werden können,
den Anker im angezogenen Zustand trotz der Wirkung des Rückstellmoments sicher festhält.
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Weiter können folgende Punkte nicht außer Betracht gelassen werden,
nämlich daß es einmal nicht möglich ist, die Rückstellkraft zu vermindern, d. h.
das Moment, welches die den Anker tragende Tragplatte vom Magnetkern wegzuschwenken
sucht, zu verkleinern, weil es unbedingt erforderlich ist, daß die Schwenkbewegung
der Tragplatte beim Ausschalten des Elektromagnets mit möglichst großer Geschwindigkeit
vor sich geht, was im Fall, daß der Elektromagnet die Kontakte eines Schaltschützes
betätigt, von größter Wichtigkeit ist, weil sonst ein Verschweißen
der
zu trennenden Kontakte unvermeidlich wäre, und daß zum andern der Winkelweg der
Ausschwenkbewegung der Tragplatte des Ankers so groß wie irgend möglich sein soll,
speziell in dem Fall, daß vom Elektromagneten elektrische Kontakte betätigt werden,
wodurch sichergestellt werden soll, daß die beim Abschalten zwischen den Kontakten
auftretenden Lichtbögen in die Länge gezogen und gelöscht werden.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen mit Wechselstrom gespeisten
Elektromagneten zu schaffen, der in der Lage ist, den Anker in der angezogenen Stellung
zu halten, und zwar selbst dann, wenn die Speisespannung der Erregerspule des Elektromagneten
großen Schwankungen unterworfen ist, der andererseits einen möglichst großen Winkelweg
der Tragplatte für den Anker ermöglicht und bei dem das Rückstellmoment einen möglichst
großen Wert hat, so daß die Geschwindigkeit der Ausschwenkbewegung der Tragplatte
ausreichend hoch ist.
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Erfindungsgemäß ist dies durch die Kombination der nachstehend genannten
drei Merkmale erreicht, die jedes für sich bereits in anderem Zusammenhang bekannt
sind: a) Die den Drehzapfen der Tragplatte am nächsten liegende Polflächenkante,
um die der Anker relativ zum Kern schwenkbar ist, fällt mit der Achse der Drehzapfen
zusammen, b) die Erregerspule ist auf dem von der Drehachse am weitesten entfernten
Kernschenkel angeordnet, c) der am weitesten von der Drehachse entfernte Kernschenkel
ist magnetisch von dem der Drehachse am nächsten gelegenen Kernschenkel isoliert.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß der Kernschenkel
mit der geringeren Permeabilität durch ferromagnetische Backen gebildet ist, die
zwischen sich ein ferromagnetisches Zwischenstück einschließen, daß die beiden Backen
von außen her auch den übrigen Teil des vorzugsweise lamellierten Kernes übergreifen
und zusammenhalten und daß der von den Backen und dem Zwischenstück gebildete Kernschenkel
von dem Teil des entgegengesetzt liegenden Kernschenkels, auf dem die Erregerspule
sitzt, durch ein dünnes Blech aus nichtmagnetischem Werkstoff isoliert ist, wobei
das Blech auch die Außenflächen des Kernschenkels übergreift, soweit dieser im Innern
der Erregerspule liegt.
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Im folgenden ist an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel des
Erfindungsgegenstandes beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine Ansicht eines Elektromagneten
nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt durch den Magneten nach Fig. 1, und zwar
längs der Linie II-II, Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 111-III der Fig. 2 und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Kontaktebene des beweglichen Ankers mit
dem Kern.
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Der in den Figuren dargestellte Elektromagnet, der vorteilhaft als
Elektromagnet zur Betätigung eines Kontaktgebers eingesetzt werden kann, ruht auf
einer Grundplatte 1, die ihrerseits mittels Schrauben 3 an einer Leiste 2 befestigt
ist, die Bestandteil eines Gehäuses ist.
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Diese Grundplatte trägt den Kern des Elektromagneten. Der Kern besteht
aus einem U-förmigen Teil 4, der aus dünnen Stahllamellen vorzugsweise hoher Permeabilität
zusammengesetzt ist und eine einen Spalt darstellende Unterbrechung 5 besitzt. Der
Spalt 5 befindet sich erfindungsgemäß im Wirkungsbereich einer den Schenkel 4 a
umgebenden Erregerspule 25, und zwar vorzugsweise in der Ebene derjenigen Stirnfläche
der Spule, die dem freien Ende des Kernschenkels 4 a abgewendet ist. Der Schenkel
4 a des U-förmigen Teiles ist vom übrigen Teil getrennt und durch ein dünnes, zu
einem U gebogenes Messingblech 6 (Fig. 3) magnetisch isoliert. Der gesamte U-förmige
Teil 4 wird durch magnetisierbare Backen 7 zusammengehalten, welche die Form der
Schenkel haben. Die Schenkel der Backen sind jedoch ein wenig kürzer als diejenigen
des U-förmigen Teiles. Zur Bildung eines dritten Kernschenkels 7 a sind sie ferner
mit einem Ansatz versehen. Der Zwischenraum zwischen den beiden Backen ist durch
ein ferromagnetisches Zwischenstück 8 ausgefüllt.
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Die Befestigung des Kernes auf der Grundplatte 1 erfolgt mit Hilfe
eines rechtwinkligen Ansatzes 7b der Backen und der Schrauben 9, wobei Zwischenlagen
10 und 11 Anwendung finden, von denen diejenige, die den geschichteten Teil 4 berührt,
aus stoßdämpfendem Material, z. B. Gummi, besteht. Quer durch die Backen geführte
Niete 12 halten das Ganze zusammen.
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Mit diesem Kern arbeitet ein beweglicher Anker zusammen, der aus einem
geschichteten Teil besteht. Auf ihn wirken die Pole des U-förmigen Teiles 4 ein.
Der geschichtete Teil 13 wird mittels der magnetisierbaren Backen 14 zusammengehalten,
die ähnlich wie die den U-förmigen Teil 4 umfassenden Backen 7 Verlängerungen besitzen,
d. h. zwei dem Teil 7 a gegenüberstehende Schenkel 14 a, zwischen denen sich ein
ferromagnetisches Zwischenstück 15 befindet. Diese verschiedenen Teile werden durch
Niete 16 zusammengehalten.
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Der bewegliche Anker 13, 14, 15 ist an einer Platte 17 beweglich befestigt,
die mittels Schrauben 18 an einer Leiste 19 montiert ist, die sich um die exzentrisch
angebrachten Drehzapfen 20 drehen kann. Die Schrauben 18 erstrecken sich
durch eine Büchse 21 und die Zwischenlage 22, deren verdickter oberer Teil 22a als
Anschlag für den beweglichen Anker dient. Der obere Teil dieses beweglichen Ankers
ist mit einem Ansatz 23 versehen, der in den oberen, rundgebogenen Teil der Platte
17 eingreift und dort durch eine Gummipackung 24 in seiner Lage gehalten
wird. Die gefalzten Ränder 17 a der Platte verhindern eine seitliche Verlagerung
des beweglichen Ankers.
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Die ferromagnetischen Zwischenstücke 8 und 15 stehen miteinander in
Kontakt, derart, daß sich der bewegliche Anker in Bezug auf den Kern um die Kante
A drehen kann, die mit der geometrischen Achse des Drehzapfens 20 zusammenfällt.
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Der Elektromagnet wird von einer Spule 25 erregt, die denjenigen Schenkel
des U-förmigen Kernteiles umgibt, der am weitesten von der Drehachse A des beweglichen
Ankers entfernt ist. Die Ebene der hinteren Stirnfläche dieser Spule fällt mit der
Ebene der Unterbrechung 5 zusammen, die den U-förmigen Teil in zwei Bestandteile
zerlegt. Die Spulenhöhe übersteigt die Höhe des entsprechenden Kernschenkels, so
daß dieGeschlossenheit des magnetischen Kreises gewährleistet ist. Der bewegliche
Anker muß daher erhabene Teile 26 aufweisen, die sich an die Polflächen des U-förmigen
Kernteiles anlegen können.
Die Spule 25 wird durch ein Tragstück
27 in ihrer Lage gehaltert, das gleichzeitig der Stromzuführung zur Spule dient.
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Außerdem dient eine Rückstellfeder 28, deren Spannung durch eine Schraube
29 einstellbar ist, dazu, die Platte 17 vom Kern wegzuziehen, um sie mit einem Hubbegrenzungsanschlag
30 in Berührung zu bringen.
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Um eine bleibende Anziehung des Elektromagneten trotz der Verwendung
von Wechselstrom sicherzustellen, ist schließlich auf einem der Pole von einem Kurzschlußring
in bekannter Weise Gebrauch gemacht. Dieser Ring besteht aus zwei Nieten 12a und
12b, die die Backen auf der Höhe des Teiles 4 a zusammenhalten, während die Bleche
dieses Teiles 4 a einen senkrecht zur Polfläche verlaufenden Spalt 31 besitzen,
der sich bis zum Niet 12 b erstreckt.
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Die Berührungsflächen (Fig. 4) zwischen dem beweglichen Anker und
dem Kern sind sehr ähnlich der Berührungsfläche des Schenkels oberhalb des Spaltes
31 gewählt.
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Die Gesamtoberfläche des oberen Schenkels 4 a ist proportional S1,
die Berührungsfläche dieses Schenkels (der schraffierte Teil) ist durch die Kehle
32 a auf S2 vermindert, um in dieser Berührungsfläche eine höhere Sättigung des
magnetischen Metalls zu erhalten. Indessen überragt die der Strecke S3 proportionale
Fläche des beweglichen Ankers, die sich gegen die Fläche S2 legt, die letztere,
damit trotz kleiner Fabrikationstoleranzen sichergestellt ist, daß die Nutzfläche
von S2 nicht durch mangelhafte Überdeckung der beiden Flächen vermindert wird. Gleichzeitig
dient diese Bemessung dazu, daß das Verhältnis der beiden diesseits und jenseits
des Spaltes 31 vorhandenen magnetischen Flüsse 01 und 02 im beweglichen Teil und
im feststehenden Teil in der unmittelbaren Nachbarschaft der Berührungsfläche S2
das gleiche ist.
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Ferner muß die der Strecke S4 proportionale Berührungsfläche des mittleren
Schenkels ebenso um eine Kehle 32 b, die größer als 32 a ist, vermindert sein. Um
der schwächeren Auftreffkraft Rechnung zu tragen, die auf den mittleren im Vergleich
zum oberen Schenkel ausgeübt wird, und um eine gleichmäßige Abnutzung der beiden
Schenkel zu erhalten, ist die Fläche S4 kleiner als S2 gehalten, und zwar annähernd
im Verhältnis der beiden Hebelarme dieser beiden Flächen in bezug auf die Drehachse
A.
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Der beschriebene Elektromagnet arbeitet wie folgt: Die Platte befinde
sich am Anschlag 30, also in der Lage 171, die Luftspalte zwischen den geschichteten
Teilen des Kernes und des beweglichen Ankers sind bedeutend, während der Luftspalt,
der sich zwischen den ferromagnetischen Zwischenstücken 8 und 15 der Lagerung ausbildet,
dadurch vermindert ist, daß die beiden Teile längs ihrer unteren Kante Kontakt haben.
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Unter diesen Bedingungen ruft die Erregung der Spule ein magnetisches
Feld hervor, das sich durch die Backen und die ferromagnetischen Teile 8 und 15
schließen will. Daher neigen diese beiden Teile dazu, sich eng aneinanderzulegen,
so daß der Anker 13 in Richtung auf den Kern zu bewegt wird. Sobald diese Bewegung
den Anker genügend verlagert hat, geraten seine vorspringenden Teile 26, insbesondere
der obere, in das Anziehungsfeld der Spule, so daß die Bewegung bis zu dem Moment
beschleunigt wird, zu dem sich der bewegliche Anker dank seiner frei beweglichen
Montage an der Platte 17 gegen die Enden der drei Kernschenkel legt. Zu diesem
Zwecke sind die entsprechenden Oberflächen des beweglichen Ankers und des Kernes
geschliffen.
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In dieser Lage ist der magnetische Widerstand des Kernes und des beweglichen
Ankers viel geringer als der Widerstand des magnetischen Weges zwischen den Teilen
8 und 15, so daß sich der magnetische Fluß der Spule im wesentlichen
über die geschichteten Teile schließt.
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Die Anziehungskraft des Elektromagneten ist also in der maximalen
Entfernung von der Drehachse A konzentriert, so daß das Moment der Anziehungskraft
vergrößert ist und die Kraft, die nötig ist, um den Anker loszureißen, beträchtlich
ist.
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Der Elektromagnet läßt damit niedrigere Werte der Speisespannung zu,
ohne daß dadurch der Abfall des beweglichen Ankers vom Kern hervorgerufen wird.
Dennoch aber ist der Abfall des Ankers gesichert, wenn die Speisespannung abgeschaltet
wird. Die durch das Messingblech 6 ausgefüllte Unterbrechung 5 sichert immer das
Vorhandensein eines Spaltes im magnetischen Kreis des Elektromagneten.
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Auf Grund der Lage dieses Spaltes sind ferner die magnetischen Verluste,
die durch die Backen 7 entstehen, vermindert. Sie sind sehr genau proportional der
Fläche des Elektromagneten, die mit diesen Backen in Berührung steht. Diese Fläche
ist aber in dem Teil des magnetischen Kreises, der der magnetomotorischen Kraft
unterworfen ist, sehr klein, da sie nur durch die Seitenfläche des Teiles 4 a gebildet
wird, die gegen die Backen magnetisch isoliert sind, und zwar durch das seitlich
angebrachte Messingblech.
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Es geht also im Betrieb kein größerer Teil des Flusses durch die seitlichen
Backen 7, um so weniger, als diese von den Backen 14 des beweglichen Ankers
durch Zwischenräume 33 getrennt sind, die dadurch entstehen, daß die Schenkel der
Backen kürzer sind als die Schenkel des U-förmigen Kernteiles.
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Ein Elektromagnet nach den Grundsätzen der Erfindung benötigt zur
Schließung beispielsweise eine Energie von 1200 VA, während bereits 90 VA genügen,
um den beweglichen Anker im angezogenen Zustand zu halten. Dies ist sehr wichtig,
denn bekanntlich ist der Kontaktdruck von Kontakten, die von einem Elektromagneten
gesteuert werden, ungefähr der Differenz zwischen den Energien proportional, die
zur Schließung des Elektromagneten bzw. zur Erhaltung dieses Zustandes nötig sind.
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Ferner läßt dieser Elektromagnet einen Spannungsabfall bis zu 45/10o
unter die Nennspannung zu, ohne daß er abfällt.