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Impulsbetätigter, polarisierter Gleichstromelektromagnet Die Erfindung
betrifft einen impulsbetätigten, polarisierten Gleichstromelektromagneten mit stabiler
Ruhe- und Arbeitsstellung seines Ankers, dessen Ansprechstrom durch Verstellen einer
mechanischen Kraft, die der auf den Anker in seiner Ruhestellung wirkenden magnetischen
Haltekraft entgegenwirkt, in weiten Grenzen einstellbar ist. In gewisseil Fällen
werden an die Größe des Bereiches der einstellbaren Ansprechempfindlichkeit besondere
Anforderungen gestellt; so z. B. bei polarisierten Fallklappenrelais, wie sie beispielsweise
in ambulanten Feldzentralen als Anzeigeorgan für einen erfolgten Anruf verwendet
werden. Bei diesen Fallklappenrelais soll die Ansprechempfindlichkeit innerhalb
eines verhältnismäßig großen Bereiches eingestellt werden können, entsprechend der
jeweils auftretenden Leitungsdämpfung, die sich praktisch ungefähr zwischen den
Grenzen 1,5 und 4 Neper bewegt. Dies entspricht einem Spannungsverhältnis von etwa
12: 1.
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Bei einem polarisierten Magnetsystem ist die Auslösekraft in erster
Näherung dem Ansprechstrom proportional. Die Ankerbewegung beginnt, wenn die Auslösekraft
den Wert der auf den Anker im Ruhezustand einwirkenden resultierenden Haltekraft
übersteigt. Die resultierende Haltekraft ergibt sich aus der magnetischen Haltekraft
vermindert um die einstellbare mechanische Gegenkraft. Die Ansprechempfindlichkeit
des Magnetsystems, d. h. derjenige Strom, der den Anker aus der Ruhelage zu bewegen
vermag, ist also proportional der resultierenden Haltekraft. Soll nun die Ansprechempfindlichkeit
innerhalb eines Bereiches von etwa 1:12 variiert werden, so muß auch die resultierende
Haltekraft des Ankers im gleichen Verhältnis verändert werden können. Dies bereitet
aber bei den bisherigen Magnetsystemen aus folgenden Gründen gewisse Schwierigkeiten.
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In F i g. 1 der Zeichnung ist die auf den Anker eines bestimmten polarisierten
Magnetsystems wirkende Kraft F in Funktion des Ankerweges x graphisch aufgetragen.
Die dargestellte Kraft ist die Resultierende aus allen am Anker wirkenden Kräften
in der Mitte des Arbeitsluftspaltes, wobei Kräfte, die den Anker aus der Nullage
zu bewegen versuchen, positiv gezählt werden. Gemäß der Kurve a wirkt auf den Anker
in der Ruhelage eine geringe resultierende Haltekraft. Durch einen Erregerstrom
in der Spule des Magnetsystems wird nun auf den Anker eine Kraft ausgeübt, die den
Anker aus seiner Ruhelage bewegt, wenn die Größe der Magnetkraft den Wert der resultierenden
Haltekraft übersteigt. Sobald der Anker über die neutrale Lage hinausgelangt, bewegt
er sich allein unter dem Einfluß der vom Perinanentfluß ausgeübten Kraft in die
Arbeitslage, wobei diese Kraft, wie aus F i g: 1 hervorgeht, ständig zunimmt und
z. $. beim Fallklappenrelais zur Betätigung des Anzeigesystems ausgenutzt wird.
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Die Veränderung der Ansprechempfindlichkeit erfolgt nun grundsätzlich
dadurch, daß die Kraftcharakteristik nach unten oder nach oben verschoben wird.
Eine derart beispielsweise nach unten verschobene Kurve ist in F i g. 1 mit b angedeutet.
Es ist ersichtlich, daß hierbei die resultierende Haltekraft viel größer geworden
ist. Dies bedeutet, daß in der Spule ein entsprechend größerer Strom fließen muß,
um den Anker über die neutrale Lage zu bringen, d. h., das Magnetsystem ist unempfindlicher
geworden. Zugleich ergibt sich aber auch, de.ß die Kraft, welche zur Betätigung
des Anzeigesystems - im Falle des Fallklappenrelais - zur Verfügung steht, wesentlich
kleiner wird. Bei dem geforderten Einstellbereich der Ansprechempfindliehkeit von
1 : 12 würde nun diese Auslösekraft zu klein, um ein Anzeigesystem sicher betätigen
zu können.
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Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung eines impulsbetätigten, polarisierten
Gleichstromelektromagneten, bei dem die vorgenannten Schwierigkeiten behoben sind.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Erregermagnetkreis an der Stelle
des Sitzes der Erregerspule eine Engestelle aufweist, die bei den höheren Ansprechströmen
magnetisch gesättigt ist, und daß der Arbeitsbereich des Elektromagneten kurz vor
dem Knick in der Magnetisierungskurve beginnt. Dadurch wird bei den höheren An-
Sprechströmen
bei einer Erhöhung der resultierenden Haltekraft eine verhältnismäßig größere Abnahme
der Ansprechempfindlichkeit erzielt.
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Die vorangegangenen überlegungen gelten nämlich nur dann, wenn der
Erregermagnetkreis nicht im Bereich der Sättigung arbeitet. Im Falle einer Sättigung
ist der magnetische Fluß und damit auch die Kraft auf den Anker nicht mehr proportional
der Durchfiutung und nimmt einen Verlauf beispielsweise gemäß der Kurve 11 in F
i g. 2, worin F die magnetische Kraft und () die Durchflutung bedeutet. Kurve I
zeigt zum Vergleich den Verlauf der magnetischen Kraft, der sich einstellt, wenn
im Erregermagnetkreis keine Sättigung auftritt.
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Es ist zwar bekannt, Anordnungen mit einem Magnetsystem durch Anwendung
magnetischer oder elektrischer Leiterzweige mit Nichtlinearencharakteristik für
den Betrieb an variabler Spannung einzurichten. Diese Leiterzweige haben den Zweck,
den Erregerstrom oder die magnetische Kraft zu begrenzen, um das Magnetsystem vor
überlastung zu schützen. In allen diesen bekannten Anwendungsfällen muß das Magnetsystem
eine der geringsten zu erwartenden Betriebsspannung entsprechende Ansprechempfindlichkeit
aufweisen. Bei Magnetsystemen mit einstellbarer Haltekraft kann demgegenüber die
Ansprechempfindlichkeit entsprechend der zu erwartenden Betriebsspannung eingestellt
werden. Dies hat den Vorteil, daß in vielen Betriebsfällen die Ansprechempfindlichkeit
und damit die Empfindlichkeit gegen mechanische Einflüsse herabgesetzt werden kann.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird nun der Bereich der Ansprechempfindlichkeit
bei einem derartigen Magnetsystem um ein Mehrfaches vergrößert, wodurch sich die
Störanfälligkeit in elektrischer und magnetischer Hinsicht je nach den Betriebsverhältnissen
noch mehr verringern läßt.
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Es gehört ferner zum Stand der Technik, einerseits Einstellmittel
zum Verändern der Ansprechempfindlichkeit eines Elektromagneten vorzusehen und anderseits
für andere Zwecke im Erregermagnetkreis von Elektromagneten eine Engestelle vorzusehen.
Diese an sich bekannten Maßnahmen geben jedoch keine Anregung für die Verwendung
einer En gestelle als Mittel zur Erweiterung des Bereiches der einstellbaren Ansprechempfindlichkeit.
Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, bei einem polarisierten Relais im Erregermagnetkreis
außer dem Arbeitsluftspalt noch einen weiteren Luftspalt vorzusehen, um durch Verändern
dieses Luftspaltes die Ansprechempfindlichkeit den Betriebsverhältnissen anpassen
zu können. Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand, bei dem durch die Anwendung einer
Engestelle eine Erweiterung des Bereiches der einstellbaren Ansprechempfindlichkeit
erzielt wird, ermöglicht der genannte Luftspalt überhaupt erst eine Einstellung
derselben. Anderseits hätte der Ersatz der Engestelle beim Erfindungsgegenstand
durch einen veränderlichen Luftspalt den Nachteil, daß durch die zusätzlichen Einstellmittel
der Aufbau des Relais verteuert und dessen Handhabung erschwert würde. Bei einem
anderen bekannten, mit einem Gleichfluß vormagnetisierten Wechselstromrelais ist
im Erregermagnetkreis an der Stelle des Sitzes der Erregerspule eine Engestelle
vorgesehen, die durch den Erregerfluß gesättigt wird, so daß der Gleichfuß auf den
Anker übergeleitet wird, um diesen zum Anzug zu bringen. Durch diese Maßnahme soll
das Klappern des Ankers vermieden werden. Da das Relais keine Mittel zur Einstellung
der Ansprechempfindlichkeit enthält, kann die Engestelle keine Wirkung im Sinne
der Erfindung haben.
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Es hat sich als günstig erwiesen, den Arbeitspunkt so zu wählen, daß
bei kleinen Durch$utungen, d. h. bei hoher Ansprechempfindlichkeit des Magnetsystems,
noch keine Sättigung eintritt; der Arbeitspunkt befindet sich also unmittelbar vor
dem Knick in der Magnetisierungskurve. Bei größeren Ansprechströmen bzw. kleinerer
Ansprechempfindlichkeit nimmt die magnetische Kraft weniger zu, als wenn keine Sättigung
vorhanden wäre. Dies bedeutet aber, daß die resultierende Haltekraft in diesem Teilbereich
der Ansprechempfindlichkeit verhältnismäßig viel weniger hoch sein muß. Der geforderte
Bereich der Ansprechempfindlichkeit von 1 : 7 2 läßt sich auf diese Weise mit einem
Einstellbereich der resultierenden Haltekraft von ungefähr 1 : 3 bis 1 : 4 erzielen.
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Infolge der Hysterese im Erregermagnetkreis tritt die Erscheinung
auf, daß sich der Anfangszustand des Magnetsystems je nach der vorangegangenen Erregung
verändert. Dies äußerst sich z. B. beim Fallklappenrelais in der Weise, daß sich,
je nachdem, ob die Spannung, mit der dasselbe vorher ausgelöst wurde, groß oder
klein war, ein anderer Arbeitspunkt und damit eine andere Ansprechempfindlichkeit
einstellt. Dieser Effekt kann nur beseitigt werden, wenn der Erregermagnetkreis
nach jeder Erregung in das Gebiet der Sättigung getrieben wird. Dies kann zugleich
mit der vorgeschlagenen Engestelle erreicht werden. Der genannte Effekt verliert
jedoch an Bedeutung, wenn für den Erregermagnetkreis Material von geringer Koerzitivkraft.
z. B. eine der unter dem Handelsnamen Permalloy bekannten Eisensorten, verwendet
wird.
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An Hand der F i g. 3 a, 3 b und 4 wird nachstehend eine beispielsweise
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Hierbei zeigen die F
i g. 3 a eine schematische Darstellung des polarisierten Magnetsystems, 3 b den
zugehörigen Spulenkern mit der Engestelle und F i g. 4 Magnetisierungskennlinien
des Erregermagnetkreises.
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Der Erregermagnetkreis des polarisierten Magnetsystems nach F i g.
3 a besteht aus einem Spulenkern 1, der die Spule 2 trägt, und einem Joch 3. Zwischen
den Polen 1 a und 3 a dieses Erregermagnetkreises befindet sich ein Arbeitsluftspalt
4, in welchem ein in jeder Lage den Dauermagnetfluß führender Anker 5 hin- und herbeweglich
ist. Der Dauermagnetfiuß wird durch den Permanentmagneten 6 erzeugt. In der Ruhestellung
liegt der Anker unter der Einwirkung der Haltekraft, welche durch die vom Dauermagnetfluß
herrührende magnetische Kraft und eine durch eine Feder 7 erzeugte und mittels der
Schraube 8 einstellbare Gegenkraft gebildet wird, am Pol 3 a an. Der Permanentmagnet
6 ist so angeordnet, daß in der Ruhestellung des Ankers nur ein geringer Teil des
Duermagnetlusses durch den Erregermagnetkreis fließt, in der Arbeitsstellung des
Ankers (strichpunktiert angedeutet) dagegen nahezu der gesamte Dauermagnetfiuß.
Der Spulenkern 1 weist eine Engestelle 1 b auf, die so dimensioniert
ist, daß bei höheren Ansprechströmen im Erregermagnetkreis Sättigung eintritt.
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Bei einer Musterausführung betrug der Querschnitt des Joches 3 und
der an die Engestelle 1 b angrenzende Teil des Spulenkernes 1 0,28 cm=. Für
die
Engestelle wurde dagegen ein Querschnitt von 0,1 cm= gewählt.
Damit ergeben sich unter Verwendung eines entsprechenden Permanentmagneten folgende
Verhältnisse: Der Ankerfluß (1)a (Dauermagnetfluß) beträgt 800 Mx. Dieser teilt
sich im Luftspalt in die beiden Teilflüsse 0K (Kernfluß) und Oj (Jochfluß). Bei
den gewählten Luftspaltverhältnissen ergeben sich folgende Werte: (PK = 275 Mx,
0_, = 525 Mx. In der Engestelle tritt daher eine Induktion BK von 2750 G auf. Außerdem
tritt noch insbesondere im Spulenkern 1 ein nicht zu vernachlässigender Streufluß
auf. Unter dessen Berücksichtigung beträgt der magnetische Fluß an der Stelle A
des Spulenkernes etwa 300 Mx und an der Stelle B 500 Mx. Beim Erregen des Magnetsystems
tritt daher zunächst im Querschnitt an der Stelle A Sättigung auf. In F i g. 4 ist
die Magnetisierungskurve für diesen Querschnitt aufgezeichnet (Kurve A). Man sieht,
daß sie bei etwa 690 Mx die Sättigung erreicht. Tatsächlich ist der Spulenkern nur
an der Stelle A gesättigt, und es wird daher bei zunehmender Erregung ein Streufluß
zwischen dem Spulenkern 1 und dem Joch 3 übertreten, der den Fluß im Arbeitsluftspalt
4 weiter ansteigen läßt. Der Spulenkern 1 wird von der Stelle A nach der Stelle
B fortschreitend gesättigt. Erst wenn die ganze Engestelle 16 gesättigt ist, kann
der magnetische Fluß nicht mehr weiter ansteigen. In F i g. 4 ist auch die scheinbare
Flußzunahme im Querschnitt an der Stelle B aufgezeichnet (Kurve
B). Der Arbeitspunkt befindet sich bei 500 Mx. Die erreichbaren Extremwerte
der Ansprechempfindlichkeit dieses Fallklappenrelais sind ebenfalls in F i g. 4
eingetragen und mit (-il bzw. O." bezeichnet, wobei sich folgende Werte ergeben:
U1 = 16,25 A und (>2 = 190 A. Die entsprechende Flußänderung beträgt im ersten Fall
J 01 = 105 Mx und im zweiten Fall A (., = 440 Mx. Die Haltekraft des Ankers in der
Ruhestellung beträgt bei diesen Extremwerten der Ansprechempfindlichkeit 4 g bzw.
17 g. Aus diesem Zahlenbeispiel geht hervor, daß sich bei den höheren Ansprechströmen
für einen bestimmten Einstellbereich der auf den Anker wirkenden Haltekraft ein
verhältnismäßig größerer Bereich der Ansprechempfindlichkeit ergibt. Anderseits
läßt sich erkennen, daß der Erregermagnetkreis jedenfalls gesättigt ist, wenn sich
der Anker 5 in der Arbeitsstellung am Pol 1 a des Spulenkernes 1 befindet, da hierbei
fast der ganze Ankerfluß von 800 Mx den Spulenkern durchsetzt. Somit ist Gewähr
geboten, daß sich nach jeder Erregung ein und derselbe magnetische Ausgangszustand
einstellt. Ebenfalls günstig in diesem Sinne wirkt sich der Umstand aus, daß für
den Erregermagnetkreis ein Material mit sehr schmaler Hysteresisschleife verwendet
wurde, wie dies aus F i g. 4 ersichtlich ist.