DE1158173B - Elektromagnet, insbesondere zum Antrieb elektrischer Schaltgeraete - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

W23719Vmc/21g

ANMELDETAG: 17. JULI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
ONDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 28. NOVEMBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf die magnetischen Kerne elektromagnetisch angetriebener Elemente.

In elektromagnetisch angetriebenen Elementen, wie Relais, Schaltern, Zugmagneten u.dgl., sind gegeneinander bewegliche magnetische Kernteile angeordnet, die sich mit angepaßten Flächen berühren. Diese Berührungsflächen sind meist in Form von Polflächen ausgebildet. Um ein Kleben der Magnetkernteile an ihren Berührungsflächen zu verhindern und damit einen einwandfreien Betrieb sicherzustellen, sind die Kernteile bzw. ihre Polschenkel so ausgebildet, insbesondere teilweise verkürzt, daß sich im Magnetkreis ein wenn auch geringer Luftspalt ergibt.

Bei den bekannten Ausführungsformen sind die Abnutzungserscheinungen an den Berührungs- oder Polflächen der magnetischen Kernteile derart, daß der Luftspalt nach mehreren Millionen Schaltspielen durch das Aufeinanderschlagen der Polflächen zu Null wird. Bei fehlendem Luftspalt besteht aber die Gefahr, daß die Magnetteile aufeinanderkleben, wodurch die einwandfreie Betätigung der Magnetantriebe in Frage gestellt ist.

Um die Zahl der Schaltspiele der elektromagnetisch betätigten Teile zu erhöhen, sind Versuche gemacht worden, die Härte der Pol- oder Berührungsflächen der magnetischen Teile durch ein Aufkohlungsverfahren zu steigern.

Das Aufkohlen erfordert, daß die zu behandelnden Teile auf eine Temperatur von ungefähr 950° C gebracht und dann in einem Wasser- oder Ölbad abgeschreckt werden. Das Aufkohlungsverfahren ergibt zwar eine Steigerung der Härte der Berührungsflächen der Kernteile, durch das starke Abschrecken werden jedoch die magnetischen Eigenschaften herabgesetzt und schließlich muß mit einem Verformen der gefertigten Teile gerechnet werden. Eine Verformung der Kernteile macht ein Abschleifen der Polflächen notwendig, denn die zusammengehörigen Berührungsoder Polflächen müssen planparallel sein. Durch das Schleifen wird aber die durch das Aufkohlungsverfahren gewonnene Härteschicht der Berührungsflächen beeinträchtigt bzw. abgetragen. Weiterhin zeichnen sich die so behandelten Teile durch eine gegen die Tiefe zu abnehmende Härte aus, woraus sich ergibt, daß sich die Abnutzungserscheinungen mit zunehmenden Schaltspielzahlen steigern.

Gegenstand der Erfindung ist es, die einander berührenden Flächen gegeneinander beweglicher lamellierter Kernteile, z. B. aus den bekannten Silicium-Eisen-Legierungen mit einem Zusatz von 0,1 bis 2% so Aluminium mit einer harten Nitridschicht zu versehen, so daß die Berührungsflächen einer großen Elektromagnet, insbesondere zum Antrieb
elektrischer Schaltgeräte

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. September 1957 (Nr. 683 389)

Donald M. S. Peckner, Pittsburgh, Pa.,

Richard D. Olson, Jeannette, Pa.,

und Delbert Ellis, Beaver, Pa. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

Zahl von Schaltspielen ohne wesentlichen Verlust des Luftspaltes widerstehen.

Weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die nachstehenden Ausführungen verdeutlicht. Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung und der Aufgabe wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Antriebselementes; in

Fig. 2 ist die Größe des Luftspaltes am Mittelschenkel in Abhängigkeit von der Zahl der Schaltspiele dargestellt.

Die Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Elektromagnetanordnung 10 zum Betätigen eines nicht gezeichneten Schalters. Ein E-förmiger Magnetteil 12 mit den Polschenkeln 14, 16 und 18 ist an einer Grundplatte 20 befestigt. Der mittlere Polschenkel oder Kern 18 trägt eine Erregerwicklung 22. Bei Erregung dieser Wicklung 22 wird der lameliierte Anker 24, der beweglich am Antriebsgerüst 26 befestigt ist, in die Schließstellung mit dem Magnetteil 12 bewegt. Durch die Bewegung des Ankers kann ein am Gerüst angeordneter elektrischer Kontaktteil (nicht gezeichnet) ge-

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Polflächen erübrigt. Jedes eventuell erforderliche Schleifen würde in bezug auf die Schicht unbedeutend sein.

Das Nitrierverfahren beeinflußt die Eigenschaften der Kernteile nicht nachteilig, denn das Nitrierverfahren hinterläßt die lameliierten Kernteile in einem magnetisch weichen Zustand. Das langsame Abkühlen nach dem Nitrieren führt zur Erzielung geringer Werte für die Koerzitivkraft und geringer

schlossen und damit ein Motor oder andere elektrische Schaltgeräte eingeschaltet werden.

Sind der Magnetteil 12 und der Anker 24 in geschlossener Lage, so stehen die Polfläche 28 des Schenkels 14 und die Polfläche 30 des Schenkels 16 in direkter Berührung mit den Polflächen 32 und 34 des Ankers 24. Es ist bekannt, daß die Polflächen 32 und 34 bei jeder Erregung der Wicklung 22 kräftig gegen die Polflächen 28 und 30 schlagen. Für die

Schalt- und Leistungsfähigkeit des Elektromagneten io Remanenzwerte. Um die Vorteile der Erfindung zu ist es wesentlich, daß -zwischen der Polfläche 36 des zeigen, wurden vier Kerne und vier Anker, ähnlich Mittelschenkels 18 und der Polfläche 38 des zentral den in Fig. 1 gezeigten, aus Blechlamellen zusammenvorstehenden Teils 40 des Ankers ein bestimmter gesetzt. Die Legierung für die Bleche hatte folgende Luftspalt eingehalten wird, während die Polflächen Zusammensetzung. Neben dem Eisen waren 0,03% 28, 34 und 30, 32 dicht aufeinander liegen. Die 15 Kohlenstoff, 0,12'% Magnesium, 0,007Vo Phosphor, Eigenschaften herkömmlichen Materials für den 0,015% Schwefel, 3,39% Silicium und 0,23%> Alu-Magnetkern 12 mit seinen Polschenkeln 14,16 und 18
und dem Anker 24 sind derart, daß nach einer verhältnismäßig kleinen Zahl von Schaltspielen, z. B.
7 bis 10 Millionen, die Polflächen 28, 30, 32 und 34 20
so abgenutzt oder anderweitig beschädigt sind, daß
der Luftspalt am Mittelschenkel zu Null wird. Hierdurch ist die Gefahr gegeben, daß die Elektromagnetanordnung, z. B. Relais, klebt und damit die Kontaktteile nicht mehr einwandfrei arbeiten.

Die Zahl der Schaltspiele und damit die Leistungsfähigkeit der Schaltgeräte kann durch die Verwendung erfindungsgemäß hergestellter Schaltmagnete wesent-

minium enthalten.

Beispiel I

Zwei der obengenannten Ankerteile und zwei zugehörige Magnetkernteile wurden mit einem dünnen Überzug aus einer Zinnstaub-Lack-Mischung so versehen, daß die Berührungsflächen frei blieben. Dieser Überzug verhindert das Nitrieren der mit dem Überzug versehenen Flächen. Die vier Teile wurden in einem geschlossenen Behälter gebracht und auf eine Temperatur von ungefähr 530° C erhitzt. Unter Aufrechterhaltung der Temperatur wurde Ammoniak im

lieh gesteigert werden. Die verwendeten Magnetkerne Behälter 10 Stunden lang umgewälzt. Dann wurde die sind aus legierten Eisenblechen zusammengesetzt. Die 30 Temperatur auf ungefähr 593° C gesteigert und das Magnetbleche bestehen in bekannter Weise im Ammoniak weitere 5 Stunden lang im Behälter umwesentlichen aus einer Legierung mit ungefähr 0,5 bis gewälzt. Im Anschluß daran wurde das Ammoniak 7%> Silicium, 0,1 bis 2% Aluminium und dem Rest abgelassen und die Teile langsam auf eine Tempe-Eisen. Unberücksichtigt bleiben geringe andere ratur von ungefähr 150° C abgekühlt, ehe sie aus Legierungsanteile und zufällige Unreinheiten. Ferner 35 dem Behälter entfernt wurden. Anschließend daran können geringe Anteile anderer Elemente hinzugefügt wurde der Zinnstaub-Lack-Überzug entfernt, werden, so ergibt z. B. ein geringer Betrag von . . ₁ Magnesium eine Beeinflussung der Charakteristik bei Beispiel 11 starker Erwärmung. Als zufällige Unreinheiten Je ein nach dem Beispiel I behandelter Magnetkern können geringe Beträge an Kohle, Schwefel, Phosphor 40 und Anker wurden dann in einem Schalterantrieb, und anderen Elementen hinzutreten. ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten, angeordnet. Der Gemäß der Erfindung werden die Polflächen der wirksame Luftspalt betrug ungefähr 0,482 mm. Das Magnetkerne und die der Ankerteile einem Nitrier- gemessene Ergebnis für die Luftspaltkurve während verfahren unterworfen, um die Polflächen mit einer 32 Millionen Schaltspielen ist mit Kurve A in Fig. 2 Nitridschicht wesentlicher Tiefe zu versehen. Nitrid- 45 eingezeichnet. Es ist ersichtlich, daß der Luftspalt schichten mit einer Dicke von ungefähr 0,025 bis während der ersten 14 Millionen Schaltspiele leicht

0,25 mm sind für die Zwecke der Erfindung ausreichend.

■ Das Nitrierverfahren ist an sich bekannt. Im wesentlichen besteht das Verfahren in einem Erhitzen der zu nitrierenden Teile in einem geschlossenen Behälter in Gegenwart eines Nitriermittels, so wie z. B. Ammoniak bei einer Temperatur von ungefähr 455 bis 650° C. Die Tiefe der harten Nitridschicht hängt

abgenommen hat, und daß danach während weiterer 18 Millionen Schaltspiele der Luftspalt nahezu konstant geblieben ist.

Beispiel III

Vom zweiten Paar (Anker und Magnetkern) wurde an allen Berührungsflächen 0,051 mm der Nitridschicht abgeschliffen. Diese Teile wurden wieder in

im wesentlichen von der Zeit ab, während der die zu 55 einen Schalterantrieb, ähnlich dem gemäß Fig. 1, einnitrierenden Teile dem Verfahren unterworfen werden. gesetzt. Der wirksame Luftspalt betrug nach der Be-Eine Nitridschicht mit einer Dicke von ungefähr arbeitung ungefähr 0,38 mm. Die Meßergebnisse ■0,0127 bis 0,51 mm wurde während einer Zeit von während 28 Millionen Schaltspielen, nach denen der 5 bis 25 Stunden erreicht. Die nitrierten Teile werden Luftspalt die Größe Null hatte, sind in Fig. 2 mit der vor ihrer Entnahme im geschlossenen Behälter lang- 60 Kurve B eingezeichnet, sam auf eine Temperatur von ungefähr 150° C ab

gekühlt.

Die Nitridschicht ist sehr hart und hat ausgezeichnete Abnutzungseigenschaften. Die Härte der Schicht

Beispiel IV

Die restlichen zwei Anker und Magnetkernteile, die nicht dem Nitrierverfahren unterworfen waren,

bleibt während des Abtragens der Nitridschicht von 65 sind nunmehr in einen Schalterantrieb, ähnlich dem

der Oberfläche nahezu konstant. Das Nitrierverfahren greift die lamellierten Magnetkernteile nicht wesent-Ech an, weshalb sich auch ein Nachschleifen der

gemäß Fig. 1, eingesetzt worden. Einer der Antriebe hatte einen Luftspalt von ungefähr 0,475 mm und der andere einen Luftspalt von ungefähr 0,457 mm. Die

aufgezeichneten Meßergebnisse bis zum Verschwinden des Luftspaltes sind in der Fig. 2 mit den Kurven C und D eingetragen.

Aus den verschiedenen Kurven der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Magnetantriebe mit nitrierten Berührungsflächen denjenigen mit nicht behandelten Berührungsflächen weit überlegen sind. Durch das Nitrieren der lamellierten Magnetkerne werden diese weder wesentlich verzogen, noch werden die magnetischen Eigenschaften in schlechtem Sinne beeinflußt.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektromagnet, insbesondere zum Antrieb elektrischer Schaltgeräte, dessen relativ zueinander bewegliche Kern- oder Ankerteile bei Erregung der Wicklung mit ihren Pol- oder Berührungsflächen aufeinanderschlagen, dadurch ge kennzeichnet, daß zumindest die aufeinanderschlagenden Pol- oder Berührungsflächen mit einer Nitridschicht versehen sind.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Nitridschicht mit einer Stärke von weniger als 1,27 mm.

3. Elektromagnet nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kern- und Ankerteile aus Eisenlegierungsblechen zusammengesetzt sind, die in bekannter Weise als wesentliche Legierungsbestandteile neben Eisen Silicium und/ oder Aluminium enthalten.

4. Elektromagnet nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Eisenlegierungsblechen, die in bekannter Weise einen Legierungsanteil von 0,5 bis 7% Silicium und 0,1 bis 2°/o Aluminium enthalten.

5. Verfahren zum Erzeugen einer Nitridschicht an den Pol- oder Berührungsflächen von Elektromagneten nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Ausnahme der zu nitrierenden Flächen durch einen Überzug geschützten Magnetteile bei einer Temperatur von 455 bis 650° C einem Nitriermittel, insbesondere Ammoniak, während einer von der verlangten Nitridschichtstärke abhängigen Zeit ausgesetzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die behandelten Magnetteile nach dem Ablassen des Nitriermittels langsam auf eine Temperatur von etwa 150° C abgekühlt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 584 864;

britische Patentschrift Nr. 532 905;

»Gruppeneinteilung der Patentklassen«, erschienen im Verlag Albert Nauck u. Co., München — Detmold—Frankfurt—Berlin, S. 91 unter Klasse c, Gruppe 3/25.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1110 729.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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