DE1514733C3 - Highly sensitive, controllable magnetic circuit arrangement for switching devices with release function - Google Patents

Highly sensitive, controllable magnetic circuit arrangement for switching devices with release function

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DE1514733C3 DE19661514733 DE1514733A DE1514733C3 DE 1514733 C3 DE1514733 C3 DE 1514733C3 DE 19661514733 DE19661514733 DE 19661514733 DE 1514733 A DE1514733 A DE 1514733A DE 1514733 C3 DE1514733 C3 DE 1514733C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hochempfindliche, steuerbare Magnetkreisanordnung für Schalteinrichtungen mit Auslöse-Funktion, mit einem beweglichen, permanentmagnetischen oder elektromagnetischen Anker und einem sowohl vom Ankerfluß als auch vom Steuerfluß einer Erregerspule durchflossenen magnetischen Kreis.The invention relates to a highly sensitive, controllable magnetic circuit arrangement for switching devices with release function, with a movable, permanent magnetic or electromagnetic Armature and one through which both the armature flux and the control flux of an excitation coil flow magnetic circuit.

Derartige Magnetkreisanordnungen besitzen eine hohe Haltekraft für den Anker und eine große Empfindlichkeit, wenn der Arbeitsluftspalt zwischen Pol und Anker, dessen Herstellung besondere Sorgfalt verlangt und der zum Erzielen gleichbleibender Auslösewerte stets sauber bleiben muß, äußerst klein ist. Der magnetische Kreis bekannter Magnetkreisanord-Such magnetic circuit arrangements have a high holding force for the armature and great sensitivity, if the working air gap between pole and armature, its manufacture special care required and which must always remain clean in order to achieve constant release values is extremely small. The magnetic circuit of known magnetic circuit arrangements

xo nungen ist aber aus einzelnen Teilen aufgebaut, die aneinander stoßen und mittels Schrauben miteinander verbunden sind. Das ergibt größere Luftspalte, damit einen großen magnetischen Widerstand und ferner mechanische Spannungen, die das Magnetfeld ungünstig beeinflussen.xo openings is made up of individual parts, the butt against each other and are connected to one another by means of screws. That results in larger air gaps so a large magnetic reluctance and also mechanical stresses that make the magnetic field unfavorable influence.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Magnetkreisanordnung hoher Empfindlichkeit und hoher Funk-V tionsstabiiität bei sehr kleinen Abmessungen zu schaffen. The invention has for its object to provide a magnetic circuit arrangement high sensitivity and high radio V tionsstabiiität to provide with very small dimensions.

ao Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Anker eine hufeisenförmige, V-förmige oder U-förmige Gestalt hat und an seinem Scheitelpunkt an einer drehbar oder schwenkbar gelagerten Achse befestigt ist, und daß der magnetische Kreis als in sich geschlossener, mit einer Erregerwicklung versehener magnetischer Kreis ausgebildet und zwischen den die Pole bildenden Armen des Ankers angeordnet ist, derart, daß die Ankerpole mit geringem Abstand (Arbeitsluftspalt) zwei im wesentlichen gegenüberliegenden Anlageflächen des magnetischen Kreises zugeordnet sind, wobei im Ruhezustand einer der Ankerpole gegen die Kraft einer Rückstellfeder an die ihm zugeordnete Anlagefläche angezogen ist.ao This object is achieved according to the invention in that the anchor has a horseshoe-shaped, V-shaped or U-shaped and at its apex on a rotatably or pivotably mounted Axis is attached, and that the magnetic circuit as a self-contained, with an excitation winding provided magnetic circuit formed and arranged between the arms of the armature forming the poles is, such that the armature poles with a small distance (working air gap) two substantially opposite Contact surfaces of the magnetic circuit are assigned, with one at rest the armature pole is attracted to the contact surface assigned to it against the force of a return spring.

Das Wesentliche der Erfindung liegt teils in der Zu-Ordnung von Anker und Magnetkreis zueinander, teils in der Ausbildung des magnetischen Kreises als geschlossener Kreis mit einem Vermeiden von Luftspalten. The essence of the invention lies partly in the assignment of armature and magnetic circuit to one another, partly in the formation of the magnetic circuit as a closed circuit with avoidance of air gaps.

In einer Ausführungsform ist der geschlossene magnetische Kreis als Toroid ausgebildet, vorzugsweise aus weichen Ferriten aufgebaut, und es ist wenigstens eine seiner den Ankerpolen gegenüberstehenden Flächen eben.In one embodiment, the closed magnetic circuit is designed as a toroid, preferably made of soft ferrite, and it is at least one of its surfaces facing the armature poles just.

Die Erfindung bietet damit die Möglichkeit und den Vorteil, wenigstens einen Teil des magnetischen Kreises der Magnetkreisanordnung aus weichen Ferriten auszuführen, die eine ausreichende Anfangspermeabilität und eine niedrige Koerzitivkraft haben, die der von Ni-Fe-Legierungen mit 40% Nickel etwa gleich ist. Hingegen ist es in Magnetkreisanordnungen bekannter Art nicht möglich, die Eigenschaften von Legierungen mit hoher Anfangspermeabilität infolge der Existenz eines vormagnetisierenden Feldes, dessen Intensität sich, wenn man eine Anzugskraft von oberhalb 25 gr. erhalten will, auf mehrere Oersted beläuft, rationell auszunutzen. Da ferner die Verluste in Ferriten zu vernachlässigen sind, sprechen Magnetkreisanordnungen, deren magnetischer Kreis aus Ferriten besteht, sehr schnell an.The invention thus offers the possibility and the advantage of at least part of the magnetic circuit the magnetic circuit arrangement made of soft ferrite, which has a sufficient initial permeability and have a low coercive force about the same as that of Ni-Fe alloys containing 40% nickel is. On the other hand, in magnetic circuit arrangements of the known type, it is not possible to determine the properties of alloys with high initial permeability due to the existence of a bias field, its Intensity amounts to several oersteds if you want to obtain a tightening force of more than 25 gr. to use rationally. Since the losses in ferrites are negligible, magnetic circuit arrangements speak whose magnetic circuit consists of ferrites, increases very quickly.

Bekannt ist ferner, daß die Ferrite ein sehr hartes Material sind, das leicht geglättet werden kann und deshalb gestattet, Arbeitsluftspalte von besonders kleinem Wert zu erzielen. Teile aus Ferriten brauchen auch nach ihrer Verformung keiner thermischen Behandlung unterworfen zu werden, und sie sind auch praktisch unempfindlich gegen äußere mechanische Kräfte. Die Wärrneempfindlichkeit, die bis zu ungefähr 50° relativ klein isi, kann leicht kompensiert wer-It is also known that the ferrites are a very hard material that can be smoothed and easily therefore allows working air gaps of a particularly small value to be achieved. Need parts made of ferrites not to be subjected to any thermal treatment even after their deformation, and they are too practically insensitive to external mechanical forces. The sensitivity to heat, which is up to approximately 50 ° relatively small isi, can be easily compensated

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken besteht das Toroid aus einem Paket übereinandergeschichteter Scheiben aus magnetischen Blechen, von welchen wenigstens eine der Scheiben zur Erzielung eines Luftspaltes gegenüber dem Anker über die übrigen Scheiben des Paketes vorsteht.According to a further idea of the invention, the toroid consists of a package of layers one on top of the other Disks made of magnetic sheets, of which at least one of the disks to achieve one Air gap protrudes from the armature over the remaining disks of the package.

Ein Erfindungsgedanke besteht ferner darin, das Paket der Scheiben des Toroids zwischen zwei nichtmagnetische Platten einzuspannen und in diesen die *° Schwingachse des Ankers zu lagern.Another idea of the invention is to clamp the package of discs of the toroid between two non-magnetic plates and in these the * ° To store the swing axis of the armature.

Dabei ist es vorteilhaft, daß die Platten Bestandteil des Schutzgehäuses der Magnetkreisanordnung sind.It is advantageous that the plates are part of the protective housing of the magnetic circuit arrangement.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Magnetkreisanordnung besteht der geschlossene magnetische *5 Kreis aus einem länglichen Kern aus vorzugsweise weichen Ferriten, auf dem die Erregerspule aufgebracht ist, und aus einem einen Teil des vom Anker herrührenden Flusses und den von der Erregerspule herrührenden Fluß schließenden Rahmen aus einem ao Material hoher Anfangspermeabilität.In a second embodiment of the magnetic circuit arrangement, there is the closed magnetic * 5 Circle made of an elongated core made of preferably soft ferrites, on which the excitation coil is applied and from a part of the flux from the armature and that from the excitation coil resulting flux-closing frame made of an ao material of high initial permeability.

Die Zeichnung gibt in 5 Figuren in schematischer Darstellung zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung wieder.The drawing shows two exemplary embodiments of the object in a schematic representation in five figures of the invention again.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht des ersten Beispieles einer *5 steuerbaren Magnetkreisanordnung, bei der einer der Befestigungsflansche entfernt ist,Fig. 1 shows a view of the first example of a * 5 controllable magnetic circuit arrangement in which one of the mounting flanges is removed,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß der Linie I-I der Fig. 1, undF i g. 2 shows a cross section through the arrangement according to the line I-I of FIG. 1, and

Fig. 3 die schematische Darstellung der Verteilung der Flüsse im Magnetkreis.3 shows the schematic representation of the distribution of the fluxes in the magnetic circuit.

F i g. 3 a ist die Seitenansicht eines Blechpaketes für den Magnetkreis;F i g. 3 a is a side view of a laminated core for the magnetic circuit;

Fi g. 4 gibt die Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer steuerbaren Magnetkreisanordnung wieder, in der der Anker im Schnitt wiedergegeben ist, undFi g. 4 shows the view of a second exemplary embodiment of a controllable magnetic circuit arrangement again, in which the anchor is shown in section, and

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß der Linie II-II der Fig. 4.5 shows a cross section through the arrangement according to the line II-II of FIG. 4.

Wie in den Fig. 1 bis 3 und 3 a des ersten Ausführungsbeispieles dargestellt, setzt sich die Magnetkreisanordnung aus einem Toroid 1 aus aufeinandergeschichteten Ringscheiben 1' aus entweder ferromagnetischem Material mit sehr geringen Verlusten und relativ hoher Anfangspermeabilität oder weichen Ferriten, zwei Befestigungsflanschen 2 und 3 aus unmagnetischem Material, die das Toroid 1 mit Hilfe von Nieten 4 einspannen, und dem Anker 5 von V- oder U-förmiger Form zusammen. Das Toroid 1 ist an zwei symmetrisch gegenüberliegenden Stellen 6 und 7 abgeflacht und trägt eine Erregerspule n. Die Befestigungsflansche 2 und 3 dienen gleichzeitig der Lagerung der Drehachse 8 des Ankers 5 aus einem Permanentmagneten, dessen Pole S, N den beiden Flächen 6 und 7 des Toroids gegenüberstehen. Der Anker 5 kann durch den Arm 9 und ein Gegengewicht 10 ausgewogen werden. Als Befestigungsflansche 2 und 3 können auch die parallelen Wände eines die Magnetkreisanordnung schützenden Gehäuses benutzt werden. Der Niet 11 dient zum Verbinden der Enden der Flansche 2 und 3 und zum Befestigen der Magnetkreisanordnung an einem Sockel.As shown in Figs. 1 to 3 and 3a of the first embodiment, the magnetic circuit arrangement consists of a toroid 1 of stacked ring disks 1 'made of either ferromagnetic material with very low losses and relatively high initial permeability or soft ferrites, two mounting flanges 2 and 3 made of non-magnetic material, which clamp the toroid 1 with the aid of rivets 4, and the armature 5 of V- or U-shape together. The toroid 1 is flattened at two symmetrically opposite points 6 and 7 and carries an excitation coil n. The mounting flanges 2 and 3 also serve to support the axis of rotation 8 of the armature 5 from a permanent magnet whose poles S, N correspond to the two surfaces 6 and 7 of the Facing toroids. The armature 5 can be balanced by the arm 9 and a counterweight 10. The parallel walls of a housing protecting the magnetic circuit arrangement can also be used as fastening flanges 2 and 3. The rivet 11 is used to connect the ends of the flanges 2 and 3 and to secure the magnetic circuit arrangement to a base.

An einem der Flansche ist ein Ende eines Bolzens 12 befestigt, der den Anker 5 frei durchdringt. Das andere Ende des Bolzens 12 trägt eine Regelmutter 13, gegen die sich die Rückstellfeder 14 abstützt, die eine Drehung des Ankers 5 in Richtung des Pfeiles F veranlaßt.One end of a bolt 12 is fastened to one of the flanges and penetrates freely through the armature 5. The other end of the bolt 12 carries a regulating nut 13, against which the return spring 14 is supported, which causes the armature 5 to rotate in the direction of the arrow F.

Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, durchdringt der magnetische, sich zwischen den Polen S und JV ausbreitende Fluß/ des Permanentmagneten des Ankers 6 das Toroid 1 und teilt sich in zwei parallele Teilflüsse φ\ und φ2 auf. Im Ausgangszustand ist der Ankerpol N des Ankers 5 von der Oberfläche 7 des Toroids 1 angezogen. Gegen diese magnetische Anzugskraft F1 wirkt die Gegenkraft P7 der Feder 14. Die magnetische Kraft P1 ist der Stärke des magnetischen Feldes zwischen den Ankerpolen 5, N direkt und dem magnetischen Widerstand des Toroids indirekt proportional. Das Toroid 1 ist von den Flüssen φΐ und φΐ nicht gesättigt. Sobald aber ein schwacher Strom durch die Spule η strömt, wird die rechte Hälfte des Toroids 1 magnetisch gesättigt, während der Fluß φ2 geschwächt wird oder umgekehrt. Damit erfolgt eine plötzliche Veränderung des magnetischen Widerstandes des Toroids und damit eine Schwächung der magnetischen Anzugskraft zwischen der Fläche 7 und dem Pol N des Ankers 5, was zum Abreißen des Poles N von der Oberfläche 6 mittels der durch die Regelmutter 13 angemessenen eingeregelten Kraft P7 der Rückstellfeder 14 führt.As can be seen from FIG. 3, the magnetic flux propagating between the poles S and JV / of the permanent magnet of the armature 6 penetrates the toroid 1 and is divided into two parallel partial fluxes φ 1 and φ 2 . In the initial state, the armature pole N of the armature 5 is attracted to the surface 7 of the toroid 1. The opposing force P 7 of the spring 14 acts against this magnetic attraction force F 1. The magnetic force P 1 is directly proportional to the strength of the magnetic field between the armature poles 5, N and indirectly proportional to the magnetic resistance of the toroid. The toroid 1 is not saturated by the fluxes φΐ and φΐ. But as soon as a weak current flows through the coil η , the right half of the toroid 1 is magnetically saturated, while the flux φ2 is weakened or vice versa. This causes a sudden change in the magnetic resistance of the toroid and thus a weakening of the magnetic attraction force between the surface 7 and the pole N of the armature 5, which leads to the tearing of the pole N from the surface 6 by means of the regulated force P 7 appropriate by the regulating nut 13 the return spring 14 leads.

Die Wirkung stellt sich für beide Richtungen des von der Wicklung η herrührenden Fluß φ η ein. Die Magnetkreisanordnung spricht also auf eine beliebige Richtung des Erregerstromes an, und zwar in einem Zeitraum, der kleiner als 5/um Sekunden ist, wobei ein Wechselstrom von 50 Perioden angenommen wird. Der Anker 5 betätigt die Achse 8, die die gewünschte Auslösung vornimmt.The effect occurs for both directions of the flux φ η originating from the winding η . The magnetic circuit arrangement therefore responds to any direction of the excitation current, namely in a period of time that is less than 5 / um seconds, with an alternating current of 50 periods being assumed. The armature 5 actuates the axis 8, which carries out the desired triggering.

Wie aus der F i g. 3 hervorgeht, kann man die Stabilität der Magnetkreisanordnung durch einen sehr kleinen Luftspalt zwischen der Stelle 7 des Toroids und dem Pol N des Ankers 5 vergrößern. Dadurch wird die mechanische Kraft schwächer. Dieser Spalt läßt sich in bekannter Weise durch eine dünne Auflage aus einem Polytetrafluorethylen erzielen oder für den Fall, daß das Toroid 1 aus übereinandergeschichteten ferromagnetischen Ringscheiben 1' zusammengesetzt ist, gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß man nach Fig. 3a wenigstens eine der Scheiben des Toroids 1 über den Rand der anderen Scheiben, an die sich der Anker 5 anlegt, überstehen läßt. Auf diese Weise ist ein kleiner Spalt α in der Größe von 25 bis 100 Mikron zu erzielen.As shown in FIG. 3, the stability of the magnetic circuit arrangement can be increased by a very small air gap between the point 7 of the toroid and the pole N of the armature 5. This weakens the mechanical force. This gap can be achieved in a known manner by a thin layer of a polytetrafluoroethylene or, in the event that the toroid 1 is composed of stacked ferromagnetic annular disks 1 ', according to a further development of the invention by at least one of the disks according to FIG. 3a of the toroid 1 can protrude over the edge of the other disks on which the armature 5 rests. In this way, a small gap α of the order of 25 to 100 microns can be achieved.

Die Fig. 4 und 5 geben ein zweites Beispiel der Verwirklichung des Anmeldungsgegenstandes wieder, wobei mit der ersten Ausführung gleich oder gleichartige Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Auf den Magnetkern 15 aus Ferrit, der in einer Schulter 16 endet, ist eine Erregerspule η mit einem ferromagnetischen, den magnetischen Fluß der Magnetkreisanordnung schließenden Rahmen 17, z. B. aus einer Ni-Fe-Legierung, angebracht. Die Anordnung ist mittels einer Schraube 18 od. dgl. zusammengehalten. Der Anker 5 mit seinem Permanentmagnet AP, der um die Achse 8 schwingt und dessen Ankerfluß durch den Nebenschluß 19 kompensiert werden kann, besitzt die Polschuhe S, N, die den Enden des Kernes 15 gegenüberstehen. Die Rückstellfeder ist mit 20 bezeichnet.4 and 5 show a second example of the implementation of the subject matter of the application, the same or similar parts with the first embodiment being provided with the same reference numerals. On the magnetic core 15 made of ferrite, which ends in a shoulder 16, is an excitation coil η with a ferromagnetic frame 17 closing the magnetic flux of the magnetic circuit arrangement, e.g. B. made of a Ni-Fe alloy attached. The arrangement is held together by means of a screw 18 or the like. The armature 5 with its permanent magnet AP, which oscillates about the axis 8 and whose armature flux can be compensated by the shunt 19, has the pole shoes S, N, which face the ends of the core 15. The return spring is designated by 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Hochempfindliche, steuerbare Magnetkreisanordnung für Schalteinrichtungen mit Auslöse-Funktion, mit einem beweglichen, permanentmagnetischen oder elektromagnetischen Anker und einem sowohl vom Ankerfluß als auch vom Steuerfluß einer Erregerspule durchflossenen magnetischen Kreis, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anker (5) eine hufeisenförmige, V-förmige oder U-förmige Gestalt hat und an seinem Scheitelpunkt an einer drehbar oder schwenkbar gelagerten Achse (8) befestigt ist, und daß der magnetische Kreis als in sich geschlossener, mit einer Erregerwicklung (n) versehener magnetischer Kreis ausgebildet und zwischen den die Pole (N, S) bildenden Armen des Ankers (5) angeordnet ist,derart, daß die Ankerpole (S, N) mit geringem Abstand (Arbeitsluftspalt) zwei im wesentlichen gegenüberliegenden Anlageflächen (6, 7) des magnetischen Kreises zugeordnet sind, wobei im Ruhezustand einer der Ankerpole (N, S) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (14, 20) an die ihm zugeordnete Anlagefläche (6, 7) angezogen ist.1. Highly sensitive, controllable magnetic circuit arrangement for switching devices with trigger function, with a movable, permanent magnetic or electromagnetic armature and a magnetic circuit through which the armature flux as well as the control flux of an excitation coil flows, characterized in that the armature (5) is a horseshoe-shaped, V -shaped or U-shaped and is attached at its apex to a rotatable or pivotable axis (8), and that the magnetic circuit is designed as a self-contained magnetic circuit provided with an excitation winding (s) and between which the poles (N, S) forming arms of the armature (5) is arranged in such a way that the armature poles (S, N) are associated with two essentially opposite contact surfaces (6, 7) of the magnetic circuit at a small distance (working air gap), with in the idle state one of the armature poles ( N, S) against the force of a return spring (14, 20) on the contact surface (6 , 7) is tightened. 2. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene magnetische Kreis als Toroid (1) ausgebildet ist, vorzugsweise aus weichen Feräiten besteht und wenigstens eine seiner den Ankerpolen (5, N) gegenüberstehenden Flächen (6, 7) eben ist.2. Magnetic circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the closed magnetic circuit is designed as a toroid (1), preferably consists of soft Feräiten and at least one of its surfaces (6, 7) facing the armature poles (5, N) is flat. 3. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1 und3. Magnetic circuit arrangement according to claim 1 and 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Toroid (1) aus einem Paket übereinandergeschichteter Ringscheiben (1') aus magnetischen Blechen besteht und wenigstens eine der Ringscheiben zur Erzielung eines Luftspaltes (α) gegenüber dem Anker (5) über die übrigen Scheiben des Paketes des Toroids (1) vorsteht.2, characterized in that the toroid (1) consists of a package of stacked annular disks (1 ') consists of magnetic sheets and at least one of the ring disks to achieve an air gap (α) opposite the armature (5) over the remaining disks of the package of the toroid (1) protrudes. 4. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1 bis4. Magnetic circuit arrangement according to claim 1 to 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Paket der Ringscheiben desToroids (1) zwischen zwei nichtmagnetischen Platten (2, 3) eingespannt ist und in diesen Platten (2, 3) die Schwingachse (8) des Ankers (5) gelagert ist.3, characterized in that the package of annular disks of the toroid (1) is clamped between two non-magnetic plates (2, 3) and the oscillation axis (8) of the armature (5) is mounted in these plates (2, 3). 5. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1 bis5. Magnetic circuit arrangement according to claim 1 to 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2, 3) Bestandteile eines Schutzgehäuses der Magnetkreisanordnung sind.4, characterized in that the plates (2, 3) are components of a protective housing of the magnetic circuit arrangement are. 6. Magnetkreisanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene magnetische Kreis aus einem länglichen von der Erregerspule(n) umgebenen Kern (15) aus vorzugsweise weichen Ferriten und aus einem Rahmen (17) aus einem Material hoher Anfangspermeabilität besteht, welcher einen Teil des Ankerflusses (§) und den von der Erregerspule herrührenden Fluß (<j>/i) schließt.6. Magnetic circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the closed magnetic circuit consists of an elongated core (15) surrounded by the excitation coil (s) and preferably made of soft ferrites and a frame (17) made of a material of high initial permeability, which is a part of the armature flux (§) and the flux originating from the excitation coil (<j> / i) closes.
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