DE1921087B1

DE1921087B1 - Bistabil betaetigbares Relais

Info

Publication number: DE1921087B1
Application number: DE19691921087D
Authority: DE
Inventors: Korbinian Karrer; Karrer Dipl-Ing Rudolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-04-25
Filing date: 1969-04-25
Publication date: 1970-06-25
Also published as: FR2046272A5; BE749518A; NL7005421A; AT294235B; CH509657A; LU60794A1

Description

Die Erfindung betrifft bistabil betätigbare Relais mit einem durch eine Erregerwicklung beeinflußbaren Eisenkreis, der durch einen Dauermagnet vormagnetisiert ist, dem ein Nebenschluß zugeordnet ist.

Bei Relais der vorgenannten Art bestehen mehrere Schwierigkeiten, die im folgenden erläutert werden.

So können fürs erste durch praktisch unvermeidbare Toleranzen der Größe des Erregerimpulses Fehlbetätigungen des Relais ausgelöst werden, weil der einen Teil des Eisenkreises bildende Anker bereits magnetisch vorgespannt ist. Die Erregerleistung muß also entsprechend eng toleriert werden. Zweitens besteht gleichfalls infolge der magnetischen Vorspannung durch den Dauermagnetfluß die Gefahr, daß der Anker des Relais unbeabsichtigt betätigt wird und in dieser Schaltstellung haftet, wenn entweder der über den Anker verlaufende Flußanteil des Dauermagneten zu groß ist oder wenn das Relais größeren Erschütterungen oder Beschleunigungen ausgesetzt wird.

Es müssen also einerseits der Dauermagnet und sein Nebenschluß exakt dimensioniert, angeordnet und aufmagnetisiert sein, und andererseits müssen besondere Maßnahmen zur Prellminderung bei Verwendung in beweglichen Anlagen getroffen werden, was beides den Aufbau des Relais verkompliziert und seine Herstellungskosten nicht unwesentlich verteuert.

Es wäre nun zwar mit Rücksicht auf die vorerwähnten Gefahrenquellen naheliegend, den Dauermagnet möglichst klein zu bemessen und so die magnetische Vorspannung im Eisenkreis entsprechend zu reduzieren. Dies hätte aber den anderen schweren Nachteil, daß eine erheblich größere Erregerleistung aufgebracht werden müßte, denn eine Vormagnetisierung setzt, wie allgemein bekannt ist, die Erregerleistung bedeutsam herunter. Von daher gesehen bestünde also gerade der entgegengesetzte Wunsch nach einer möglichst kräftigen Gestaltung des Dauermagnetflusses. Dem steht jedoch außer den bereits genannten Gründen das heutige Bestreben nach möglichst kleiner Bauweise und außerdem die Verwendung von massenmäßig sehr kleinen Kontakteinrichtungen entgegen, die sich zwar durch vorteilhaft kleine Schaltzeiten und geringe Erregerleistung auszeichnen, andererseits aber einen relativ so kleinen Kontakthub aufweisen, daß die Gefahr von Fehlbetätigung des Relais im Besonderen gesteigert ist.

Hinzu kommt die Schwierigkeit, daß die Magnetkraft des Dauermagneten durch die von der eigenen Erregerwicklung ausgelösten magnetischen Impulse gegebenenfalls sogar irreversibel verändert werden kann, so daß die auch über eine lange Betriebsdauer hinweg anzustrebende störungsfreie Funktion und Einhaltung der vorgeschriebenen Kennwerte des Relais nicht zuverlässig gewährleistet ist.

Dies gilt im besonderen dann, wenn Relais der vorliegenden Art eng benachbart zu magnetischen Störquellen angeordnet werden. Hierbei kann nämlich die vorerwähnte Veränderung des Dauermagneten außer durch seine eigene Erregerwicklung auch durch diese Störquellen herbeigeführt werden.

Zusammenfassend zeigt sich, daß man beim gegebenen Stand der Technik aus den geschilderten Gründen Maßnahmen für eine enge Tolerierung der Erregerleistung sowie für eine Schirmung benachbarter Relais treffen muß und auch hinsichtlich der Auswahl des zu verwendenden Dauermagnet-Werkstoffes nicht frei ist.

Diesem Stand der Technik gegenüber offenbart die vorliegende Erfindung eine technische Lehre, derzufolge sich der Eisenkreis eines Relais der eingangs genannten Art unter weitgehender Vermeidung der geschilderten Schwierigkeiten optimal bemessen läßt. Erreicht wird dies gemäß der Erfindung dadurch, daß der Eisenkreis des Relais nach folgender Beziehung dimensioniert ist:

B_r-q_M

wobei R_n ^ R_L ist und wobei H_c die Koerzitivfeldstärke des Dauermagneten, H_c, die sich aus dem Schnittpunkt des verlängerten linearen Teiles der Magnetkennlinie mit der H-Achse ergebende Feldstärke (bei Magneten ohne Vorzugsrichtung H_c, = H_c), l_M die Länge des Dauermagneten, B_r die Remanenzinduktion des Dauermagneten, q_M der Querschnitt des Dauermagneten, R_n der magnetische Widerstand des Nebenschlusses, B_s die Sättigungsinduktion des von der Erregerwicklung umschlossenen Teiles des Magnetkernes, q_KS der Querschnitt des Magnetkernes und R_L der magnetische Widerstand im offenen Arbeitsluftspalt ist.

Bezüglich der Dauermagnete mit bzw. ohne Vorzugsrichtung sei zur Klarstellung erwähnt, daß diese in bekannter Weise dadurch charakterisiert sind, daß die Kennlinie der Induktion in Abhängigkeit von der Feldstärke bei Dauermagneten ohne Vorzugsrichtung im wesentlichen über den gesamten Steuerbereich, dagegen bei Dauermagneten mit Vorzugsrichtung nur über einen gewissen Bereich hinweg linear verläuft und dann steil nach Null abfällt (vgl. F i g. 2).

Ein Relais, dessen Eisenkreis nach der vorstehenden Dimensionierungsregel bemessen ist, erweist sich bezüglich seines Dauermagneten als stabil sowohl gegen die Magnetisierungsimpulse der eignen Erregerwicklung als auch gegen magnetische Fremdfelder, gestattet die freie Wahl des Dauermagnetwerkstoffes mit oder ohne Vorzugsrichtung, ermöglicht die Verwendung einer massemäßig kleinen Kontakteinrichtung mit geringem Ankerhub für kurze Schaltzeiten, benötigt bei starkem Dauermagnetfluß nur eine geringe Erregerleistung und bedarf keiner Abschirmung gegen benachbarte Relais.

Die durch die Maßnahmen gemäß der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Stabilität des Ankers gegen ungewollte magnetische Beeinflussung und Beschleunigung werden noch unterstützt, wenn gemäß einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung der Anker bei nicht erregtem Relais gegen eine feste Gegenlage vorgespannt ist. Außerdem wird durch diese Maßnahme das exakte Kippen des Ankers von einer Schaltstellung in die andere gefördert.

Die durch die Dimensionierung des Eisenkreises gemäß der vorliegenden Erfindung erzielte exakte und von Störeinnüssen weitestgehend befreite Arbeitsweise des Relais läßt sich weiterhin verbessern, wenn gemäß einer Fortbildung der Erfindung das Relais mit einer den magnetischen Wirkfluß führenden Kontakteinrichtung ausgerüstet ist, weil hierdurch die Bauteile des Relais und deren etwaige Toleranzen auf ein Minimum reduziert sind.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die
F i g. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines

Relais, dessen Eisenkreis gemäß der vorliegenden Erfindung dimensioniert ist,

F i g. 2 zeigt die idealisierten Magnetkennlinien eines Dauermagneten mit bzw. ohne Vorzugsrichtung.

In Fig. 1 ist, teilweise im Schnitt dargestellt, mit GP eine Trägerplatte aus magnetisierbarem Werkstoff bezeichnet, in welche senkrecht zu ihrer Ebene in an sich bekannter Druckglas-Einschmelztechnik mittels einer Glasperle PE ein magnetisierbarer Stiftkern KS gasdicht eingesetzt ist. Auf die Trägerplatte GP ίο ist wiederum gasdicht ein gleichfalls aus magnetisierbarem Werkstoff ausgebildeter Schutzdeckel D aufgesetzt, der mit Schutzgas gefüllt ist und an dem über eine Ankerrückstellfeder AF ein magnetisierbarer Anker A federnd befestigt ist. Dieser Anker liegt bei nicht erregtem Relais mit Vorspannung an einem Vorsprung V des Deckels D an, so daß er eine definierte Ruhelage hat, die ihn einerseits gegen unerwünschte Beschleunigung ausreichend stabil macht und die andererseits für ein exaktes Kippen des Ankers aus der gezeichneten Ruhestellung in seine Arbeitsstellung und umgekehrt sorgt. In seiner nicht gezeichneten betätigten Stellung arbeitet das vorzugsweise mit Kontaktwerkstoff belegte freie Ende des Ankers A mit dem in den Schutzdeckel D ragenden Ende des Stiftkernes KS kontaktgebend zusammen, wobei der elektrische Anschluß über nicht gezeichnete Anschlußelemente erfolgt, die einerseits mit dem Anker über die Ankerrückstellfeder, den Schutzdeckel und die Trägerplatte und andererseits mit dem Stiftkern verbunden sind. Mit Sp ist eine Erregerwicklung bezeichnet, die den Stiftkern KS umschließt. Parallel zur Längsachse des Stiftkernes und in dieser Richtung polarisiert ist ein Dauermagnet M so angeordnet, daß sein einer Pol mit der Trägerplatte GP und sein anderer Pol über ein Flußrückführungsteil EK magnetisch verbunden ist. Dem Dauermagnet parallel zugeordnet ist ein Nebenschluß N. Die magnetischen Verhältnisse und die Funktion des Relais sind folgende: Der Dauermagnet M" erzeugt einen Magnetfluß Φ_Λ/, der sich in einen Flußanteil Φ_κ über den zwischen dem Anker A und dem Stiftkem KS befindlichen Arbeitsluftspalt und in einen Flußanteil Φ_Ν über den Nebenschluß N verzweigt. Dabei ist der Eisenkreis so dimensioniert, daß sich mehr als die Hälfte des Dauermagnetflusses über den Nebenschluß schließt und daß außerdem der Flußanteil Φ_κ im Arbeitsluftspalt kleiner ist als der zum Betätigen des Ankers notwendige Magnetfluß. Wird nun die Erregerwicklung Sp unter Strom gesetzt, so wird der magnetische Pfad über die Kontakteinrichtung begünstigt, so daß der Flußanteil Φ_κ auf Kosten des Flusses Φ γ im Nebenschluß vergrößert und der Anker in seine Arbeitsstellung bewegt wird. In dieser Arbeitsstellung ist der magnetische Widerstand im Kontaktkreis so klein, daß der Flußanteil Φ_κ groß genug ist, um den Anker auch ohne Spulenerregung zu halten. Der Kontakt bleibt also geschlossen. Wird die Erregerwicklung von einem Stromimpuls entgegengesetzter Polarität durchflossen, so wird der Flußanteil Φ_κ zugunsten des Flußanteiles Φ_η verringert, und der Anker bewegt sich unter dem Einfluß der Ankerrückstellfeder in seine gezeichnete Ruhelage zurück.

In F i g. 2 sind über der ß-Achse (Induktion) und //-Achse (Feldstärke) die idealisierten Magnetkennlinien eines Dauermagneten mit Vorzugsrichtung K₁, und ohne Vorzugsrichtung K₀ aufgetragen. Mit B_r sind die jeweiligen Remanenzinduktionen und mit H₁. die jeweiligen Koerzitivfeldstärken bezeichnet.

H_c/ ist der Schnittpunkt des verlängerten linearen Teiles der Magnetkennlinie mit der //-Achse, der bei einem Dauermagnet ohne Vorzugsrichtung mit H_c identisch ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Bistabil betätigbares Relais mit einem durch eine Erregerwicklung beeinflußbaren Eisenkreis, der durch einen Dauermagnet vormagnetisiert ist, dem ein Nebenschluß zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkreis des Relais nach folgender Beziehung dimensioniert ist:

B_s■q_Ks B_r ■ q_M '

wobei R_n :g R_L ist und wobei H_c die Koerzitivfeldstärke des Dauermagneten, H_c, die sich aus dem Schnittpunkt des verlängerten linearen Teiles der Magnetkennlinie mit der //-Achse ergebende Feldstärke (bei Magneten ohne Vorzugsrichtung H_c, = H_c), /_u die Länge des Dauermagneten, B_r die Remanenzinduktion des Dauermagneten, q_M der Querschnitt des Dauermagneten, R_n. der magnetische Widerstand des Nebenschlusses, B_s die Sättigungsinduktion des von der Erregerwicklung umschlossenen Teiles des Magnetkernes, q_KS der Querschnitt des Magnetkernes und R_L der magnetische Widerstand im offenen Arbeitsluftspalt ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker bei nicht erregtem Relais gegen eine feste Gegenlage vorgespannt ist.

3. Relais nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais mit einer den magnetischen Wirkfluß führenden Kontakteinrichtung ausgerüstet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen