DE1180846B - Wechselstromgespeistes elektro-magnetisches Relais - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIh

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche KL: 21g-4/02

E 18781 VIII c/21g
20. Januar 1960
5. November 1964

Bei wechselstromgespeisten elektromagnetischen Relais, z. B. den üblichen Fernmelderelais mit Klappanker, bei welchen die durch Federwirkung erzeugte Rückstellkraft im wesentlichen linear mit der Ankerbewegung ansteigt, ist die durch die Erregung des Relais bedingte elektromagnetische Anziehungskraft jedoch nicht linear zu dieser Ankerbewegung, sondern sie steigt zunächst schnell an, wenn sich der Luftspalt am Ende der Ankerbewegung schließt. Im letzten Abschnitt der Ankerbewegung fällt jedoch die elektromagnetische Kraft beim Zurücklegen der letzten Millimeterbruchteile steil ab, was auf die Wirkung des üblicherweise vorhandenen Kurzschlußringes zurückzuführen ist, der den Gesamtfluß über den Ankerspalt schneller vermindert als die Phasenverschiebung sich vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzugskraft-Ankerspalt-Charakteristik im Bereich kleiner Ankerspalte im wesentlichen zu linearisieren.

Zu diesem Zweck ist ein wechselstromgespeistes elektromagnetisches Relais, dessen Arbeitswicklung ein Kondensator mit fester Kapazität zugeordnet ist, gemäß der Erfindung in der Weise ausgebildet, daß das Magnetsystem einen an sich bekannten abgeschirmten Pol aufweist und daß der Kondensator derart ausgelegt ist, daß sich die wirksamen Amperewindungen mit der Stellung des Ankers in bezug auf das Magnetsystem im Sinne einer Linearisierung der Ankeranzugskraft als Funktion des Ankerluftspaltes ändern. Der Kapazitätswert des Kondensators wird zweckmäßigerweise experimentell bestimmt, um den erforderlichen resultierenden Gesamtblindwiderstand zu erhalten, der einen Phasenwinkel zur Folge hat, welcher sich in der gewünschten Weise mit der Stellung des Ankers ändert.

Es ist zwar bereits bekannt, eine feste Kapazität der Arbeitswicklung eines Relais zuzuordnen, jedoch geschah dies nicht zum Zweck der Linearisierung, sondern zur Verbesserung des Leistungsfaktors. Zu diesem Zweck wurde bei dem bekannten Wechselstromrelais angestrebt, die Werte von ω L und 1/coC im wesentlichen gleichzuhalten, um das Entstehen von Blindströmen zu verhindern. Mit der Anpassung des Kondensators auf die Selbstinduktion der Relaisspule kann jedoch das durch die Erfindung angestrebte Ziel, wie sich durch eine einfache Rechnung zeigen läßt, nicht erreicht werden. Nach der Erfindung würde z. B. eine optimale Anpassung bei einem mit Netzfrequenz von 50 Hz betriebenen Relais, dessen Spule einen Wert von L — 7,6 H hat, dann erreicht werden, wenn die Kapazität des parallel geschalteten Kondensators 11 μΡ beträgt. Hierbei ist Wechselstromgespeistes elektromagnetisches Relais

Anmelder:

The English Electric Company, Limited,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,

München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:
Kenneth Thomas Yeates,
Stafford (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 20. Januar 1959 (2089) - -

das Produkt LC ■ oß = 8,2, d. h. mehr als achtmal so hoch wie der Wert 1, der zur Erreichung einer Blindstromkompensation erforderlich ist.

Der Kondensator kann an eine Sekundärwicklung des Relais angeschaltet sein, die mit der Erregerwicklung induktiv gekoppelt ist; er kann aber auch unmittelbar der Erregerwicklung des Relais parallel geschaltet sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. la eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Relais,

F i g. 1 b einen Schnitt nach der Linie 1-1 gemäß Fig. la,

F i g. 2 ein Diagramm, welches die Wirkung der in Fig. Ib gezeigten KapazitätC veranschaulicht,

F i g. 3 a und 3 b andere, vereinfachte Schaltungen der Kapazität für ein stromerregtes bzw. ein spannungserregtes Relais,

F i g. 4 und 5 weitere Schaltungsanordnungen zur Verwirklichung der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 a trägt das Klappankerrelais auf seinem Magnetkern 10 eine wechselstromgespeiste Arbeitswicklung 11. In der in der Zeichnung dargestellten Stellung befindet sich der Klappanker 12 in Schließstellung. Zwei Kontaktfedern 14 und 15 werden von einer von dem Magnetkern 10 getragenen Isolierstütze 13 isoliert zueinander getragen. Die

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obere Kontaktfeder 14 bildet einen feststehenden und die untere Kontaktfeder 15 einen beweglichen Kontaktarm, der durch ein Verbindungsglied 16 betätigt wird, das an einem Winkelhebel 17 des Ankers 12 befestigt ist.

In der in Fig. la dargestellten Stellung überbrückt der Anker 12 die Pole des Magnetkerns 10, und der Winkelhebel 17 ist voll im Uhrzeigersinn ausgeschwenkt. Die Federwirkung der Kontakte öffnet den Anker 12, wenn die Wicklung 11 nicht genügend erregt ist.

Das Merkmal der in F i g. 1 a dargestellten Konstruktion, welches bewirkt, daß die elektromagnetische Kraft des Ankers bei seiner Bewegung in die geschlossene Stellung ohne plötzlichen Abfall am Ende der Bewegung stetig ansteigt, besteht darin, daß ein dünnes Isolierstück 18 zwischen dem oberen Joch des Magnetkerns 10 und dem Anker 12 vorgesehen ist und daß zusätzlich die unteren Pole des Magneten derart gestaffelt sind, daß der nicht abge- a° schirmte Pol (in der F i g. 1 a der untere Pol) um ungefähr 0,025 mm zurückversetzt ist. Der abgeschirmte obere Pol weist einen Kurzschlußring 19 auf. Diese Ausbildung gewährleistet, daß in der Schließstellung des Ankers 12 dieser dem nicht abgeschirmten und dem abgeschirmten Pol des Magnetkerns 10 nicht satt anliegt.

Auf diese Weise wird bei dem in F i g. 1 a dargestellten Relais die elektromagnetische Kraft über dem Ankerspalt entsprechend jenem Teil der Kurve in F i g. 2 verlaufen, in welchem die Kraft mit abnehmendem Luftspalt ansteigt. Da diese Beziehung nicht linear ist, kann auf einfache Art und Weise eine Anpassung an die lineare Gegenkraft, welche von der Federcharakteristik des Relais herrührt, nicht erfolgen. Demgemäß ist eine Anpassung der Gegenkraft und der Betriebskraft zur Erlangung eines hohen Abfallverhältnisses nicht erreichbar, wenn die volle Empfindlichkeit des Relais erhalten bleiben soll.

Wenn der der Wicklung 11 zugeführte Wechselstrom während des Anzugs des Relais konstant ist, sucht sich die erwähnte Kurvenform einzustellen, die die Anzugskraft als Funktion des Luftspaltes zeigt. Wenn jedoch durch eine geeignete Schaltungsanordnung die Größe der wirksamen Erregung der Wicklung sich mit sich veränderndem Luftspalt ändert, kann das Verhältnis zwischen der elektromagnetischen Anzugskraft und dem Luftspalt linearisiert und demgemäß der Federwirkung der Rückstellanordnung angepaßt werden. Die Erfindung sieht eine Schaltungsanordnung für das Erregungssystem des Relais vor, durch welche dieses erreicht werden kann und durch welches ein Relais geschaffen wird, welches ein hohes Abfallverhältnis hat.

Es hat sich bei stromerregten Wicklungssystemen gezeigt, daß man durch Parallelschaltung einer Kapazität zu der Arbeitswicklung einen Bereich erhalten kann, in dem die Kapazität vergrößert werden kann, um das Verhältnis zwischen der elektromagnetischen Kraft des Relais und dem Luftspalt im wesentlichen s° zu linearisieren. Dies wird durch die voll ausgezogenen Kurven in F i g. 2 veranschaulicht, welche zeigen, daß mit sich erhöhender Wirkung der Kapazität die Kurve sich immer mehr streckt.

In Fig. Ib ist im Axialschnitt längs der Linie 1-1 gemäß Fig. la eine Wicklungsanordnung gezeigt, welche eine Primärwicklung 11 α und eine Sekundärwicklung 11 b aufweist. Die Sekundärwicklung 11 b ist an einen Kondensator C angeschlossen. Die Anordnung der Wicklungen ist derart, daß eine unterstützende magnetische Kraft infolge der Wirkung des Kondensators auftritt, wenn sich der Ankerspalt vergrößert. Der geeignete Wert der Kapazität des Kondensators C kann experimentell ermittelt werden. Ein bestimmter Wert ist jeweils der günstigste für das erwünschte hohe Abfallverhältnis.

Die Kombination der kapazitiven Magnetisierungsschaltung mit der versetzten Polanordnung ist zweckmäßig, weil die Wirkung des Kondensators C eine kontinuierliche Änderung der Charakteristik zwischen Kraft und Ankerspalt in einer Richtung erfordert. Der Spitzenteil der gestrichelt gezeichneten Kurve in F i g. 2 kann durch Kapazitätswirkung allein nicht nachgebildet werden.

Infolge der Anpassung der Feder- und der Anzugskraftkurven, welche durch die in F i g. 1 b dargestellte Anordnung erreicht wird, wird eine minimale Kraftdifferenz zwischen der elektromagnetischen Arbeitskraft und der Federgegenkraft erzielt, was eine Verminderung der Ankerbeschleunigung und ein gutes Einschwingen ergibt.

Das beschriebene Relais hat infolge der Sekundärwicklung Hb eine geringere Empfindlichkeit für Gleichstromkomponenten im Wechselstromeingangssignal. Die Sekundärwicklung bewirkt, daß die Wechselstrom-Gleichstrom-Empfindlichkeit auf einen Wert annähernd 2 gebracht wird, wenn die Wicklungen 11a und Ub gleiche Windungszahl haben. Außerdem wirkt der Kondensator C als Kurzschluß für kurzzeitige Gleichstromimpulse.

Es gibt verschiedene Wege, die Wirkung des Kondensators C gemäß F i g. 1 b in dem Magnetisierungskreis mit dem gleichen Ergebnis auszunutzen. Zum Beispiel kann der Kondensator C, wie in Fig. 3a dargestellt, unmittelbar parallel zu der Magnetisierungswicklung 11a geschaltet werden. Bei Spannungserregung wird der in F i g. 3 b dargestellte Widerstand R in Reihe mit der Parallelschaltung von Wicklung 11a und Kondensator C geschaltet. Es können jedoch andere elektrisch äquivalente, der Fig. 3b entsprechende Schaltungen benutzt werden, um das erwünschte Ergebnis bei einem spannungserregten Relais zu erhalten.

Um die Einstellung des Relais zu erleichtern, ist ein stromerregtes Relais mit einem einstellbaren Widerstand vorgesehen. Eine für diesen Zweck geeignete Schaltung ist in F i g. 4 dargestellt. Hier wird das Stromsignal, welches das Relais betätigt, über einen Stromwandler zugeführt, der eine mit Mittelanzapfung versehene Sekundärwicklung 20 α aufweist. Die mit 11a bezeichnete Arbeitswicklung des Relais ist ebenfalls mit einer Mittelanzapfung versehen, und die Sekundärwicklung des Relais 11 b ist mit dem Kondensator C verbunden. Eine weitere Wicklung 21 bildet einen Teil der Primärwicklung des Relaissystems. Sie hat die dreifache Anzahl der Windungen jeder Hälfte der Wicklung 11a und ist in unterstützendem Sinne geschaltet. Diese Wicklung 21 ist direkt zwischen die Mittelanzapfungen der Wicklungen 11 α und 20 α geschaltet, und ein einstellbarer Widerstand R liegt in diesem Falle zwischen den entsprechenden Enden der Wicklungen 11a und 20 a.

Die Wirkungsweise der in F i g. 4 dargestellten Schaltung ist am einfachsten verständlich, wenn man für den Widerstand R Extremwerte annimmt. Wenn R sehr groß ist, entspricht dies einem offenen Kreis,

und die Relaisarbeitswirkung kann viermal so groß werden wie dann, wenn R = 0 ist. Auf diese Weise kann der Widerstand R dazu benutzt werden, eine sehr feinfühlige Einstellung des Relais zu bewirken.

Gemäß einer weiteren, in F i g. 5 dargestellten Schaltungsanordnung weist die Wicklung Ha zwei gegeneinandergeschaltete Wicklungsabschnitte lla.1 und 11 a 2 auf. Der Abschnitt Π α 2 hat mehr Windungen als der Abschnitt Hai. Ein Widerstandspotentiometer 30 liegt zwischen den entsprechenden Enden der Abschnitte Hai und Hai, und die anderen Enden dieser Abschnitte sind mit einem Ende der Wicklung 20 α bzw. mit der Mittelanzapfung der Wicklung 20 a verbunden. Das andere Ende der Wicklung 20 a ist mit dem Abgriff des Potentiometers 30 verbunden.

Die in F i g. 5 dargestellte Anordnung ermöglicht die Benutzung eines linearen Widerstandspotentiometers, um einen linearen Einstellbereich des Relais zu erhalten, während die in F i g. 4 dargestellte An-Ordnung einen veränderbaren Widerstand R nichtlinearer Bauart erfordert, um eine lineare Einstellskala für den beweglichen Abgriff zu erhalten.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wechselstromgespeistes elektromagnetisches Relais, dessen Arbeitswicklung ein Kondensator mit fester Kapazität zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem einen an sich bekannten abgeschirmten Pol aufweist und daß der Kondensator (C) derart ausgelegt ist, daß sich die wirksamen Amperewindungen mit der Stellung des Ankers (12) in bezug auf das Magnetsystem im Sinne einer Linearisierung der Ankeranzugskraft als Funktion des Ankerluftspaltes ändern.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (Ha) induktiv mit einer Sekundärwicklung (11 b) gekoppelt ist, an deren Klemmen der Kondensator (C) angeschaltet ist (Fig. Ib, 4 und 5).

3. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) parallel zu den Klemmen der Erregerwicklung (11 d) geschaltet ist (Fig. 3a und 3b).

4. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (Ha) über einen Stromwandler und eine einstellbare Impedanz (R) gespeist wird und daß ein Abgriff der Erregerwicklung (Ha) über eine Hilfsspule (21) mit einem Abgriff der Sekundärwicklung (20 a) des Stromwandlers verbunden ist (Fig. 4).

5. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung zwei gegeneinandergeschaltete Wicklungsabschnitte (Hai und 11 a 2) aufweist, zwischen die ein Widerstandspotentiometer (30) eingeschaltet ist, dessen Abgriff mit dem einen Ende der Sekundärwicklung (20 a) eines Stromwandlers verbunden ist, dessen anderes Ende mit dem freien Ende des einen Wicklungsabschnittes verbunden ist, wobei das freie Ende des anderen Wicklungsabschnittes an einen Abgriff der Stromwandlersekundärwicklung (20a) angeschaltet ist (Fig. 5).

6. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein abgeschirmter und ein nicht abgeschirmter Pol des magnetischen Kreises in bezug auf den Anker derart gestaffelt angeordnet sind, daß in Schließstellung des Ankers (12) ein abgestufter Luftspalt zwischen Anker und dem nicht abgeschirmten Pol vorhanden ist und eine unmittelbare Berührung nur über einen schmalen Bereich der Polfläche besteht.

7. Relais mit Klappanker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus nichtmagnetischem Werkstoff bestehendes Zwischenstück (18) im magnetischen Kreis benachbart zum Anlenkpunkt des Ankers (12) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 906 479, 602 989;
schweizerische Patentschrift Nr. 134 199.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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