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Elektromagnetisches Haft-Relais Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektromagnetisches Relais, bei welchem der zum Halten und zum Betätigen des beweglichen
Ankers dienende Magnetfluß von einem Dauermagneten erzeugt wird und bei dem eine
Erregerwicklung vorgesehen ist, die, wenn sie vom Strom durchflossen wird, die magnetischen
Verhältnisse so ändert, daß der Anker aus seiner Ruhelage in seine Arbeitslage übergeführt
wird.
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Derartige elektromagnetische Relais sind bekannt und werden beispielsweise
in Fehlerstromschutzschaltern oder in Flammenüberwachungsgeräten für Gas- oder Ölfeuerungen
verwendet. Die beim Erregen des Relais auftretende Bewegung des Ankers kann zur
Steuerung irgendeiner Vorrichtung benutzt werden. Die Entwicklung solcher Relais
geht dahin, ihre Empfindlichkeit zu steigern, ihren Raumbedarf und ihre Herstellungskosten
herabzusetzen. Dies ist auch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung: Es ist ein
elektromagnetisches Haftrelais bekannt; dessen Anker in der Ruhestellung an den
beiden Polenden eines eine Erregerwicklung tragenden Eisenjoches unter der Wirkung
eines Halteflusses anliegt, der von einem auf der dem Eisenjoch abgewandten Seite
des Ankers, von diesem durch einen Luftspalt getrennt, angeordneten Dauermagneten
geliefert wird. Bei der bekannten Relaiskonstruktion steht der Anker auf derjenigen
Seite, nach der er beim Ansprechen des Relais angezogen wird, stets nur einem Pol
des Dauermagneten unmittelbar gegenüber. Nur an diesem einen Pol des Dauermagneten
liegt also der Anker im Ansprechzustand des Relais unmittelbar an, während sich
die von dem anderen Pol des Dauermagneten nach dem Anker hin erstreckenden Kraftlinien
über einen sehr langen Weg durch die Luft hindurchgehen müssen, wenn nicht, wie
bei einer Abwandlung der bekannten Konstruktion, der andere Pol des Dauermagneten
durch eiserne Polstücke sogar bis auf die entgegengesetzte Seite des Ankers geführt
ist und eine Zugkraft in Richtung auf die Ruhestellung des Ankers hin ausübt. Das
hat den Nachteil, daß die Magnetkraft, die den Anker nach Aufhebung oder Überwindung
der Haltekraft aus der Ruhelage heraus beschleunigt, nur sehr klein sein kann. Damit
der Anker beim Auslösen des Relais in genügendem Maße Arbeit verrichten kann, muß
das ganze Relais verhältnismäßig groß bemessen werden, was wiederum eine unerwünscht
hohe Erregerleistung erfordert.
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Von der bekannten Relaiskonstruktion unterscheidet sich das Relais
nach der Erfindung dadurch, daß den beiden Polenden des Eisenjoches an die beiden
Pole des Dauermagneten angeschlossene Polenden gegenüberstehen und der einen magnetischen
Nebenschluß zu dem über das Eisenjoch führenden Magnetpfad des Dauermagneten bildender
Anker aus zwei Teilstücken besteht, die, ebenso wie das Eisenjoch, aus Werkstoff
sehr kleiner'Koerzitivkraft hergestellt sind und die in der Mitte zwischen zwei
Polendenpaaren über eine Zwischenschicht aus unmagnetischem Material miteinander
verbunden sind.
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Bei diesem Relais liegt in abgefallenem Zustand der Anker also an
zwei Polstücken an, die mit entgegengesetzten Polen des Dauermagneten verbunden
sind. Infolgedessen ist in dieser Stellung der Magnetkreis des Dauermagneten bis
auf die unmagnetische Zwischenschicht im Anker nahezu völlig über Eisen geschlossen.
Es steht deshalb fast die größtmögliche Zugkraft des Dauermagneten für die Betätigung
des Ankers zur Verfügung.
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Andererseits sorgt die unmagnetische Zwischenschicht zwischen den
beiden eisernen Teilstücken des Ankers dafür, daß in der Ruhestellung des Relais
an dem eisernen Joch, das die Erregerwicklung trägt, noch eine zu dessen Magnetisierung
hinreichende magnetische Spannung zur Verfügung steht. Durch entsprechende Bemessung
der erwähnten unmagnetischen Zwischenschicht läßt sich die Haltekraft des Joches
den jeweiligen Verhältnissen in äußerst einfacher Weise anpassen. Die Erregerwicklung
liegt dabei nur in einem Nebenpfad des magnetischen Kreises des Dauermagneten. Sie
braucht zum Auslösen des Ankers nur so stark erregt zu werden, daß die von ihr gelieferte
magnetische Spannung die an der unmagnetischen Zwischenschicht des Ankers auftretende
magnetische Spannung überwindet. Das erfindungsgemäße
Relais ist
infolgedessen außerordentlich ansprechempfindlich und benötigt nur sehr wenig Raum.
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Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht des magnetischen
Relais, F i g. 2 eine andere Ausführungsform des im Relais gemäß F i g. 1 und 3
verwendeten Joches und F i g. 3 einen Seitenriß des Relais gemäß der Fig. 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 angedeutet sind. Der Dauermagnet 1 weist eine
nicht dargestellte Bohrung auf, durch die ein Bolzen 2 hindurchragt, mit dem zwei
Polklötze 3; 4 mittels der Mutter 5 an dem Dauermagneten 1 befestigt sind.
Die Polklötze 3, 4 weisen je ein Polstück 6 bzw. 7 auf, deren Ausbildung aus der
F i g. 3 hervorgeht. Die Einheit, bestehend aus dem Dauermagneten 1 und den Polklötzen
3, 4, ist verschiebbar auf einer Tragplatte 8 angeordnet. Zu diesem Zweck sind in
der Tragplatte 8 Schlitze 9,10 vorgesehen, in denen Einstellschrauben
11 (siehe F i g. 3) verschoben werden können, mit denen die Polklötze 3, 4 an der
Tragplatte 8 befestigt sind.
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Auf der Tragplatte 8 ist weiter mittels einer Schraube 12 ein Joch
13 angeordnet, das die Polenden 14,15 aufweist. Das Polende 15 trägt eine Erregerwicklung
16. An den Polenden 14,15 liegt ein Anker 17 an. Er besteht aus zwei Teilen
18, 19, die durch eine nichtmagnetische Einlage 20 voneinander getrennt
sind. Die beiden Teile 18,19 werden von einem nichtmagnetischen Stift 21, der als
Betätigungshebel dient, zusammengehalten.
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Der Dauermagnetfluß 22 führt einerseits über den Anker, d. h. die
Teile 18,19 und die Einlage 20, andererseits über das Joch 13. Der
Kraftfluß in den Teilen 18,19 und der Einlage 20 ist in der F i g.
1 mit 23 bezeichnet. Er führt an den Teilen 18, 19, zufolge des von der Einlage
gebildeten magnetischen Widerstandes, eine magnetomotorische Kraft herbei, die den
Haltekraftfluß 24 durch das Joch 13 und die Luftspalte zwischen den Polenden 14,15
und den Teilen 18, 19 treibt. Es ergibt sich, daß die daraus resultierende Anziehungskraft
der Polenden 14,15 bei geeigneter Bemessung so groß gemacht werden kann, däß diese
die Anziehungskraft der Polstücke 6, 7 überwiegt. Dieser Ruhezustand des Relais,
in dem zier Anker 17 an den Polenden 14,15 anliegt, ist in den F i g. 1 und 3 dargestellt.
Der Anker 17 vereinigt somit in sich sowohl die bekannte Funktion eines Ankers als
auch die eines Nebenschlusses, welch letzterer bei den bekannten Relais dazu dient,
eine definierte magnetomötorische Kraft zum Anziehen des Ankers hervorzurufen und
einen Weg relativ geringen magnetischen Widerstandes zu schaffen, über den sich
der Erregerfluß schließen kann.
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Das beschriebene Relais hat folgende Wirkungsweise: Führt die Erregerwicklung
16 Strom, so wird bei einer bestimmten Stromrichtung der erzeugte Erregerstrom 25
den Haltekraftfluß 24 schwächen. Bei einer bestimmten Stromstärke wird die anziehende
Kraft der Polstücke 6, 7 überwiegen und der Anker 17 zu diesen herübergezogen.
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Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel des beschriebenen Relais ist die
Fehlerstromauslösung. Zu diesem Zweck kann die Erregerwicklung 16 in an sich bekannter
Weise an einen Differentialstromtransformator angeschlossen sein, der bei asymmetrischem
Stromfluß gegen Erde, etwa beim Berühren von Geräten oder Leitungen mit fehlerhafter
Isolation, einen Fehlerstrom liefert. Der Anker 17 betätigt dann beim Abfallen über
den Stift 21 einen nicht dargestellten Auslösemechanismus eines Fehlerstromschutzschalters,
der die gefährlichen Teile vom Netz abschaltet. Der Vorteil dieser Verwendung des
beschriebenen Relais ist, daß der Differentialstromtransformator wegen der verhältnismäßig
geringen erforderlichen Erregerleistung klein gehalten werden kann. Um mit einem
bekannten Relais eine Auslösung bei kleineren Differenzströmen zu bewirken, müßte
der Differentialstromtransformator voll und ganz für die Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit
aufkommen und daher entsprechend größer ausgelegt werden. Bei geringen Differenzströmen
kommt man dann aber bald zu einem erheblichen Aufwand für den Differentialstromtransfonnator.
Dieser Mehraufwand am Differentialstromtransformator läßt sich vermeiden, wenn es,
wie beim beschriebenen Relais, gelingt, ein empfindlicheres Relais zu bauen.
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Der beim erfindungsgemäßen elektromagnetischen Relais zur Anwendung
kommende magnetische Zug hat gegenüber einem Federzug den Vorteil, eine kleinere
Eregerleistung zu bedingen. Aus theoretischen überlegungen geht nämlich hervor,
daß die Abreißkraft des Ankers, d. h. jene Kraft, mit der der Anker nach Erregung
des Relais abgerissen wird, und die Erregerleistung, die aufgebracht werden muß,
um die magnetische Anziehungskraft der Polenden 14,15 unter die Abreißkraft
der Polstücke 6, 7 sinken zu lassen, in einem festen Verhältnis stehen. Dieses
Verhältnis ist abhängig von dem im Ruhezustand des Relais vorliegenden Luftspalt
zwischen dem Anker 17 und den Polenden 14, 15, dem gewünschten Verhältnis
von Erreger- zu Haltekraftfluß und, im Falle von Wechselstromerregung, von der Frequenz.
Da nun der magnetische Zug ein steil ansteigendes, dagegen eine Feder ein sinkendes
Kraft-Weg-Diagramm ergibt, kann bei gleicher mechanischer Energie die Abreißkraft
bei magnetischem Zug kleiner sein, als es bei Federzug der Fall ist, und somit im
ersten Fall auch eine kleinere Erregerleistung genügen. Die Ansprechempfindlichkeit
ist somit bei magnetischem Zug größer, als es bei Federzug der Fall ist.
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Bei einer anderen Ausführung ist ein Fenster 26 in dem Polende 15
des Joches 13 vorgesehen, wie es die F i g. 2 zeigt. Durch das Fenster 26 ist die
Erregerwicklung 16 hindurchgefädelt. Das Relais arbeitet in diesem Fall nach dem
Prinzip des sogenannten Sperrmagneten. Die bei magnetischer Sättigung einer der
Stege 27, 28 auftretende Verdrängung des Haltekraftflusses aus dem Anker 17 ersetzt
dabei die gegenmagnetisierende Wirkung bei der Ausführung gemäß der F i g. 1.
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Im Hinblick auf die relativ große Empfindlichkeit des Relais ist zu
beachten, daß sich die Koerzitivkraft des Magnetmaterials, aus dem das Joch 13 und
der Anker 17 bestehen, wie eine zusätzliche veränderliche Vormagnetisierung auswirkt,
die je nach der magnetischen Beschaffenheit des Materials einen kleineren oder größeren
Ansprechstrom ergibt. Vorzugsweise wird deshalb das Joch 13 und der Anker 17 aus
einem Magnetmaterial geringer Koerzitivkraft hergestellt, z. B. aus dem unter dem
Markennarren
Mumetall bekannte Magnetmaterial, um eine geringe
Streuung der Ansprechwerte zu erzielen. An die Polklötze 3, 4 werden keine
so hohen Anforderungen gestellt. Diese können daher aus billigerem weichmagnetischem
Material bestehen. Es ist weiter vorteilhaft, zwischen dem Anker 17 und den
Polenden 14,15 eine Einlage zu verwenden, die etwaiges Klebenbleiben des
Ankers nach erfolgter Erregung des Relais, z. B. infolge von Dämpfen, Ölnebel, Staub
usw., verhindert. Diese Einlage muß naturgemäß äußerst dünn und flexibel sein, um
die Ansprechempfindlichkeit des Relais nicht zu sehr zu beeinträchtigen. Als dazu
geeignetes Material hat sich beispielsweise eine sehr dünne Kunststoffolie, wie
z. B. eine Polyesterfolie, oder vorzugsweise eine Folie aus Polytetrafluoraethylen
erwiesen.
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Obwohl die dargestellten Ausführungsbeispiele nur eine einzige Erregerwicklung
aufweisen, können auch zwei oder mehrere vorgesehen sein. Auch ist es selbstverständlich
nicht notwendig, daß die Erregerwicklung am Polende 15 angeordnet ist, sondern
sie kann vielmehr auch an einer anderen Stelle des Joches 13 angeordnet sein.
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Dadurch, daß der Anker 17 als Nebenschluß ausgebildet ist und
der Dauermagnet 1 sowohl die Haltekraft liefert, mit der der Anker 17 im
Ruhezustand des Relais an den Polenden 14,15 angezogen gehalten wird, als
auch die Anziehungskraft, mit der der Anker 17 nach Erregung abgerissen wird,
entsteht ein einfach aufgebautes und empfindliches Relais, das nur wenig Raum beansprucht.