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Elektromagnetisches Haft-Relais Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches
Relais mit einem Kippanker, mit einem Dauermagneten, der einen Haltekraftfluß liefert,
welcher den Anker in Ruhestellung des Relais angezogen hält, und mit wenigstens
einer Erregerwicklung.
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Elektromagnetische Relais dieser Art werden beispielsweise in Fehlerstromschutzschaltern
oder in Flammenüberwachungsgeräten für Gas- oder Ölfeuerungen verwendet. Die beim
Erregen des Relais auftretende Bewegung des Kippankers kann zur Steuerung irgendeiner
Vorrichtung benutzt werden. Die Entwicklung solcher Relais geht dahin, ihre Empfindlichkeit
zu steigern und ihren Raumbedarf sowie ihre Herstellungskosten herabzusetzen. Dies
ist auch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Bei einem bekannten elektromagnetischen Haftrelais dieser Art bildet
ein schwenkbar gelagerter Kippanker in seiner Abfallstellung das Schlußstück eines
durch feste Eisenwege gebildeten magnetischen Kreises eines Dauermagneten. Dabei
gabelt sich der an dem einen der Dauermagnetpole angeschlossene feste Eisenweg in
zwei von dem Dauermagneten gleichsinnig polarisierte Polenden, von denen das eine
Polende die Erregerwicklung trägt und zusammen mit dem anderen Polende ein und derselben
Seite des Kippankers zugewandt ist, dessen andere Seite mindestens ein mit dem entgegengesetzten
Pol des Dauermagneten verbundenes Polende gegenübersteht.
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Das elektromagnetische Haftrelais gemäß der Erfindung weist diese
Merkmale ebenfalls auf, ist aber dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kante eines
der beiden die Erregerwicklung zwischen sich einschließenden Polenden oder, je nach
dem Vorzeichen des Erregerstromes, wahlweise eine Kante des einen oder eine Kante
des anderen dieser beiden Polenden die Schwenkachse des Kippankers bildet, der in
der Ruhestellung an diesen beiden Polenden anliegt und vorzugsweise aus Eisen sehr
geringer Koerzitivkraft besteht.
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Von dem bekannten Relais unterscheidet sich das Relais gemäß der Erfindung
in konstruktiver Hinsicht also dadurch, daß bei ihm die Schwenkachse des Kippankers
auf einer Kante eines der Polenden liegt, die, durch den Dauermagneten gleichsinnig
magnetisiert, die Erregerwicklung zwischen sich einschließen, und daß der Anker
in seiner Ruhestellung an diesen beiden Polenden anliegt. Bei dem bekannten Relais
liegt dagegen die Schwenkachse des Kippankers so, daß dieser sowohl in der einen
als auch in der anderen Endlage stets an Polenden anliegt, die von dem Dauermagneten
gleichsinnig magnetisiert werden. Bei dem bekannten Relais bildet somit der Anker
stets, d. h. auch in der Ruhelage, ein eisernes Schlußstück des magnetischen Kreises
für den Dauermagneten. Der magnetische Parallelpfad, der über die beiden Polschuhe
führt, an denen der Anker gerade nicht anliegt, hat gegenüber dem von dem Anker
gebildeten Pfad wegen der beiden Luftspalte einen sehr hohen magnetischen Widerstand
und spielt für die Flußverteilung keine nennenswerte Rolle. Um ein Umsteuern zu
bewirken, muß der Fluß in dem durch den Anker geschlossenen Magnetkreis durch die
Erregerwicklung fast bis zum Verschwinden gebracht werden. Da die Erregerwicklung
mit diesem Magnetkreis voll verkettet ist, ist dies nur durch eine sehr hohe Erregerdurchflutung
möglich, so daß das Relais nur wenig empfindlich ist. Außerdem wirkt sich die Erregerdurchflutung
nahezu in vollem Maß auch auf den Dauermagneten als Gegendurchflutung aus, so daß
dieser vorübergehend fast völlig entmagnetisiert wird, was für ihn bekanntlich sehr
schädlich ist.
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Bei dem Relais gemäß der Erfindung kommt demgegenüber die Haftwirkung
des Ankers in seiner Ruhelage nur dadurch zustande, daß trotz des gleichen Flusses
auf beiden Seiten des Ankers die Induktionsverteilung auf derjenigen Seite, wo er
an den Polschuhen anliegt, ungleichmäßiger ist als auf der gegenüberliegenden Seite.
Da die Zugkraft eines Elektromagneten ie Flächeneinheit dem Quadrat der
Induktion
proportional ist, führt dies auf der Seite der anliegenden Polschuhe zu einer größeren
Zugkraft als auf der anderen Ankerseite. Sobald die Induktion in dem einem Polschuh
durch die Erregung hinreichend geschwächt wird, fällt der Anker ab, wobei er sich
um eine Kante des anderen Polschuhs dreht, da dessen Zugkraft nur an einem sehr
kleinen Hebelarm angreift.
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Auf die beiden durch das bewickelte und das unbewickelte Polende gebildeten,
im Zuge des Mangetkreises des Dauermagneten einander parallelgeschalteten Magnetpfade
entfällt nur ein ganz geringer Teil der von dem Dauermagneten gelieferten magnetischen
Umlaufspannung, so daß nur eine äußerst geringe Durchflutung der Erregerwicklung
nötig ist, um den ganzen Fluß aus dem von ihr umschlossenen Polende in das zu ihr
parallelgeschaltete Polende zu verdrängen.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des elektromagnetischen
Relais dargestellt. Es zeigen F i g. 1, 2 und 3 je eine schematische Ausführungsform
und F i g. 4 eine vergrößerte räumliche Darstellung des Relais gemäß der F i g.
1.
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In der F i g. 1 ist mit 1 ein Dauermagnet bezeichnet, dessen Nord-
und Südpol mit N bzw. S dargestellt sind. Die Pole N, S des Dauermagneten 1 sind
mit Schenkeln 2, 3 aus magnetisch leitendem Material verbunden, die je eine Auflage
für einen Kippanker 4 aufweisen. Die Auflage des Schenkels 2 besteht aus einem Polschuh
5, die Auflage des Schenkels 3 aus zwei Polschuhen 6, 7. Letzterer trägt eine Erregerwicklung
B. Der vom Dauermagneten 1 herrührende Haltekraftfluß ist mit der Kraftlinie 9 angedeutet.
Er durchfließt die Polschuhe 6, 7 je zur Hälfte und schließt seinen Weg über den
Luftspalt 10, den Polschuh 5 und den Schenkel 2. In der gezeichneten Ruhestellung
des Relais werden die Enden 11,12 des Kippankers 4 zufolge des Haltekraftflusses
9 an den Polschuhen 6,7 gehalten. Führt die Erregerwicklung 8 Strom, so wird
der Haltekraftfluß je nach der gerade herrschenden Stromrichtung im unteren oder
oberen Polschuh 6 oder 7 durch den Erregerfluß geschwächt, der auf seinem Weg nur
einen geringen magnetischen Widerstand vorfindet. Der Kippanker 4 fällt auf dieser
Seite ab und wird nach dem Polschuh 5 gezogen. Hat der Erregerfluß eine Stromrichtung,
wie sie in der F i g. 1 mit 13 angedeutet ist, dann wird der Kraftfluß im
Polschuh 7 verstärkt und im Polschuh 6 geschwächt. Der Kippanker 4 fällt daher mit
seinem Ende 12 von dem Polschuh 6 ab und legt sich an den Polschuh 5. Der Kippanker
ist in dieser Lage gestrichelt dargestellt und mit 14 bezeichnet. Bei entgegengesetzter
Stromrichtung fällt das Ende 11 des Kippankers 4 ab und kommt in die mit 15 angedeutete
Lage an den Polschuh 5 zu liegen.
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Da der Kraftfluß des Dauermagneten sich nicht auf Nebenwege verteilt,
sondern als Ganzes über die Polschuhe 6, 7 und den Polschuh 5 verläuft, geht das
Abfallen des Kippankers 4 -mit einer relativ großen Kraftflußänderung einher. Dies
ergibt ein steil ansteigendes Kraft-Weg-Diagramm, das den Zusammenhang zwischen
der vom Polschuh 5 ausgeübten magnetischen Anziehungskraft und dem Weg, der jeweils
vom abfallenden Ende des Kippankers 4 zurückgelegt wird, darstellt. Für eine bestimmte
vom Kippanker abzugebende mechanische Energie kann daher die Abreißkraft, die in
Ruhestellung des Relais durch den Polschuh 5 auf den Kippanker 4 ausgeübt wird,
relativ sehr klein sein, so daß auch die benötigte Ankermasse gering ausfällt. Es
ergibt sich nämlich, daß sich die Ankermasse nach dieser Abreißkraft richtet, und
zwar ist sie bei gegebener mechanischer Stoßsicherheit dieser Abreißkraft proportional.
Aus weiteren überlegungen geht hervor, daß die erforderliche Erregerleistung der
Ankermasse proportional und somit entsprechend niedrig gehalten ist. Das beschriebene
Relais weist damit gegenüber bekannten Relais mit Kraftspeicherfeder den Vorteil
einer geringeren Erregerleistung auf. Bei solchen Relais sind die oben geschilderten
Verhältnisse nämlich umgekehrt, da bei ihnen die Abreißkraft gerade die maximal
auftretende Kraft ist, die auf den Kippanker ausgeübt wird. Für dieselbe mechanische
Energie muß deshalb diese Abreißkraft bei Federauslösung größer bemessen sein. Ein
weiterer Vorteil ist, daß das Ansprechen des Relais unabhängig von der Stromrichtung
erfolgt.
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In der F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die
Erregerwicklung 8 durch ein Fenster 16 in dem Polschuh 7 durchgefädelt ist. Das
Relais arbeitet dann nach dem Prinzip des sogenannten Sperrmagneten. Die bei magnetischer
Sättigung der Stege 17,18 auftretende Verdrängung des Haltekraftflusses aus dem
Polschuh 7 ersetzt dabei die gegenmagnetisierende Wirkung bei der Ausführung gemäß
der F i g. 1. Auch bei der Ausführung nach der F i g. 2 spricht das Relais unabhängig
von der Stromrichtung in der Erregerwicklung 8 an. Im Gegensatz jedoch zu der Ausführung
gemäß der F i g. 1 fällt der Kippanker 4 nunmehr stets mit seinem oberen
Ende 11 ab, was unter Umständen einen konstruktiven Vorteil ergibt.
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In der F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der
Kippanker durch eine Blattfeder 4 gebildet ist. Die Erregerwicklung 8 ist, ebenso
wie beim Relais gemäß der F i g. 2, als Sperrwicklung ausgeführt, so daß der Kippanker
4 jeweils nur an einer Seite abfällt. Die Wirkungsweise entspricht derjenigen gemäß
der F i g. 2. Nach Erregung fällt das obere Ende der Blattfeder 4 ab und legt sich
an den Polschuh 5 an, welche Lage in der F i g. 3 gestrichelt dargestellt ist. Der
Polschuh 5 ist abgeschrägt, damit sich zwischen ihm und dem an ihm anliegenden Ende
der Blattfeder 4 nur ein geringer Luftspalt ergibt.
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Die F i g. 4 läßt die baulichen Einzelheiten des Ausführungsbeispiels
gemäß der F i g. 1 in perspektivischer Darstellung erkennen. In dieser Figur ist
der Dauermagnet mit 1 bezeichnet, der zwischen der Tragplatte 3 und der Grundplatte
19 eines Rahmens 2 angeordnet ist. Die Tragplatte 3 und der Rahmen 2 mit der Grundplatte
19 bestehen aus weichmagnetischem Material. Auf der Tragplatte 3 ist ein Joch
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mit Schenkeln 21, 22 angeordnet. Der Schenkel 22 trägt eine Erregerwicklung
B. Die Polenden 6, 7 der Schenkel 21 bzw. 22 bilden eine Auflage für die beiden
Enden 11,12 eines Kippankers 4. Sie sind zu diesem Zweck abgeschrägt, so daß sich
auch nach Ansprechen des Relais eine Auflagefläche für den Kippanker 4 ergibt. Die
Oberseite des Rahmens 2 weist eine Ausnehmung 23 auf, in der zwei Polstücke 51,
52 am Rahmen 2 vorgesehen sind. Die Polstücke 51, 52 dienen, ebenso wie die Polenden
6, 7 der Schenkel 21, 22, als Auflage für den Kippanker 4 und
sind
dazu ebenfalls abgeschrägt. Die Tragplatte 3 trägt eine Einstellschraube 24, die
zwischen ihr und der Grundplatte 19 einen gewissen Luftspalt einhält. Über diese
Einstellschraube schließt sich ein Teil 25 des Dauermagnetflusses, so daß die Ansprechempfindlichkeit
des Relais mit der Einstellschraube 24 eingestellt werden kann.
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Der Haltekraftfluß des Dauermagneten 1 verteilt sich auf die beiden
Schenkel 21, 22, die Polstücke 51, 52 und die linke und rechte Wand des Rahmens.
Diese beiden Teilflüsse sind mit den Kraftlinien 26 bzw. 27 angedeutet. Wie ersichtlich,
entsprechen der Rahmen 2 und die Tragplatte 3 den Schenkeln 2 bzw. 3 in der F i
g. 1.
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Führt die Erregerwicklung 8 Strom, so daß sich beispielsweise der
mit der Kraftlinie 13 bezeichnete Erregerfluß ergibt, so wird der Haltekraftfluß
am Ende 12 des Kippankers 4 verstärkt, dagegen am gegenüberliegenden Ende 11 geschwächt.
Der Kippanker 4 fällt demzufolge an letzterem Ende ab und legt sich an das Polstück
51 an. Der Haltekraftfluß fließt nunmehr vom Nordpol N über den Schenkel
22, den Kippanker 4, das Polstück 51 und den Rahmen 2 zum Südpol
S.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des beschriebenen Relais ist die
Fehlerstromauslösung. Zu diesem Zweck kann die Erregerwicklung beispielsweise in
an sich bekannter Weise an einen Differentialtransformator angeschlossen sein, der
bei asymmetrischem Stromfluß gegen Erde, etwa beim Berühren von Geräten oder Leitungen
mit fehlerhafter Isolation, einen Fehlerstrom liefert. Der Kippanker betätigt dann
den Auslösemechanismus des Sicherheitsschalters, der die gefährlichen Teile vom
Netz abschaltet. Die Rückstellung des Kippankers kann in irgendeiner hier nicht
dargestellten Weise erfolgen. Diese Verwendung des beschriebenen Relais bringt den
Vorteil mit sich, daß der Differentialstromtransformator, dank der geringen erforderlichen
Erregerleistung, kleiner gehalten werden kann als bei Auslösern vergleichbarer Art.
Mit einem bekannten Relais eine Auslösung bei kleineren Differenzströmen zu bewirken,
würde nämlich bedeuten, daß der Differentialstromtransformator voll und ganz für
die erwünschte Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit aufzukommen hätte und daher
entsprechend größer ausgelegt werden müßte. Bei den angestrebten sehr geringen Differenzströmen
ergibt sich dann aber bald ein erheblicher Aufwand für den Differentialstromtransformator.
Dieser Mehraufwand am Differentialstromtransformator läßt sich vermeiden, wenn es,
wie beim beschriebenen Relais, gelingt, das Relais empfindlicher zu gestalten.
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Wegen der großen Empfindlichkeit des beschriebenen Relais, das zum
Erregen nur einige hundertstel Millivoltampere erfordert, ist dem Erregerflußweg
besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Die Koerzitivkraft des zur Verwendung kommenden
Magnetmaterials wirkt sich nämlich wie eine zusätzliche veränderliche Vormagnetisierung
aus, die je nach der magnetischen Eigenschaft des Materials einen kleineren oder
größeren Ansprechstrom ergibt. Vorzugsweise wird deshalb für die Teile, die diesen
Erregerflußweg bilden, beispielsweise das Joch 20 und der Kippanker 4 in
der Ausführung nach F i g. 4, ein weichmagnetisches Material sehr geringer Koerzitivkraft
verwendet, wie z. B. das unter dem Markenzeichen Mumetall bekannte Magnetmaterial,
so daß eine geringe Streuung der Ansprechwerte erzielt wird. An die übrigen Flußwege
werden keine so hohen Anforderungen gestellt. Diese können daher aus billigerem
weichmagnetischem Material bestehen.
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Es ist weiter vorteilhaft, zwischen dem Kippanker und seinen Auflagestellen
eine Einlage zu verwenden, die das Klebenbleiben des Kippankers nach erfolgter Erregung
des Relais verhindert. Diese Einlage muß naturgemäß äußerst dünn und flexibel sein,
um die Ansprechempfindlichkeit des Relais nicht zu beeinträchtigen. Als dazu geeignetes
Material hat sich beispielsweise eine sehr dünne Kunststoffolie, wie z. B. eine
Polyesterfolie, oder vorzugsweise eine Folie aus Polytetrafluoräthylen, erwiesen.
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Obwohl die dargestellten Ausführungsbeispiele nur eine einzige Erregerwicklung
aufweisen, können auch zwei oder mehrere vorgesehen sein. Auch ist es keinesfalls
notwendig, daß die Erregerwicklung an den in den Figuren dargestellten Stellen angeordnet
ist. Sie kann vielmehr an jedem dazu geeigneten Teil des für den Erregerfluß vorgesehenen
magnetischen Kreises angeordnet sein. Auch kann die Ausführung gemäß der F i g.
4 mit einer Erregerwicklung gemäß der F i g. 2 versehen sein, nach dem Prinzip des
Sperrmagneten. Der Kippanker 4 fällt dann stets am selben Ende ab.