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Magnetsystem für hochempfindlich einstellbare elektrische Haftrelais
Die Erfindung betrifft ein Magnet system für hochempfindlich ein stellbare elektrisohe
Haftrelais mit einem Dauermagneten, bei dem die wirksame magnetomotorische Kraft
durch Schwenken seiner Nord-Süd-Achse einstellbar ist und einem Weicheisensystem,
das aus einem magnetischen Nebenschluß zu den Dauermagneten, zwei Pol schuhen, von
denen einer die Erregerwicklung trägt, und dem Kippanker besteht.
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Derartige hochempfindlich einstellbare elektrische Haftrelais werden
in elektrischen Schaltungen benbtigt, in denen es darauf ankommt, Schaltvorgänge
mit sehr kleinen elektrischen Strömen sicher zu steuern. Sie werden zweckmäßig 80
aurgebaut, daß ein Anker durch die von einem Magnetfluß erzeugte Kraft im angezoge.
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nen Zustand gehalten wird. Ein auf einem Polsohuh angeordneter,
aus
diesem und einer Leiterspule bestehender Elektromagnet erzeugt einen Gegenfluß,
durch den die Haftkraft aur den Anker aufgehoben wird, so daß dieser abfällt und
den Schaltvorgang auslöst.
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Die Fertigungstoleranzen der Einzelteile eines sol¢hen Relais lassen
nur eine sehr grobe Einstellung der Haftkraft zu. Dsher sollen diese Relais so aufgebaut
sein, daß der im Spalt zwischen Anker und Pol schuh wirksame Magnetfluß so einstellbar
ist, daß durch die Fertigungstoleranzen sich ergebende Stucksohwankungen der Haftkraft
ausgeglichen werden können. Dieser Ausgleich soll so genau wie möglich erfolgen
können.
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Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse einen im Umriß
kreisförmigen Dauermagneten, dessen Nord-Süd-Achse in Richtung eines Kreisdurchmessers
liegt, gegenüber einem System von zwei Polschuhen so anzuordnen, daß der in diesen
Polschuhen und dem Anker erzeugte Fluß durch Schwenken der Nord-Süd-Achse des Magneten
eingestellt werden kann (DT-PS 1 19* 056). Dies Einstollmöglichkeit ist aber sehr
grob, weil sie den vollen, vom Dauer-Magneten erzeugten FluB betrifft.
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Es ist daher auch schon bekannt, die wirksame magnetomotorische Kraft
des Dauermagneten durch einen Weicheisennebenschluß so zu schwächen, daß nur der
relativ kleine Restfluß eingestellt zu werden braucht (DT-PS 1 639 196). Bei gleicher
prozentualer Einstellmöglichkeit betrifft eine solche Einstellung dann nur kleine
Absolutwerte und wird dadurch absolut gesehen entsprechend empfindlicher. Wenn der
durch den Elektromagneten erzeugte Oegen fluß aber 80 vermindert werden soll, daß
kleinste elektrische Ströme zu ihrer Erzeugung ausreichen, das Relais also wirklich
hochempfindlich ist, so erweist sich auch diese Anordnung als nicht ausreichend.
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Es ist auch in den bekannten Anordnungen schon davon gesprochen worden,
statt eines einzigen mehr als einen bzw. zwei Dauermagnete zu verwenden (DT-OS 1
639 196, DT-AS 1 162 483), doch dient diese Maßnahme nicht zur Erhöhung der Empfindlichkeit
des Relais, sondern ist im wesentlichen konstruktionsmäßig bedingt Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen, in wirtschaftlicher Weiser herzustellenden
Mitteln eine hochempfindliche Einstellung des Magnetsystems zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den magnetischen
Weg durch denjenigen der beiden Polschuhe, der die Erregerwicklung nicht trägt,
ein weiterer Dauermagnet eingeschaltet ist, dessen wirksame magnetomotorische Kraft
durch Schwenken seiner Nord-Süd-Achse einstellbar ist.
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In der Durchführung des Erfindungsgedankens liegt der erste der Dauermagneten
an der Nebenschlußplatte drehbar an, während der zweite der Dauermagneten im ersten
Polschuh drehbar eingesetzt ist, während der andere Polschuh die Erregerwicklung
trägt und bei Fließen eines Stromes durch dieselbe zum Elektromagneten wird.
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Weiterhin ist das erfindungsgemäße Magnet system so aufgebaut, daß
der erste Dauermagnet über die magnetischen Widerstände des Magnet kreises im Arbeitsluftspalt
des Relais einen stärkeren, grob regelbaren Magnetfluß erzeugt, während der zweite
Dauermagnet über die magnetischen Widerstände des Magnetkreises hier einen schwächeren
Magnetfluß zur Folge hat, so daß dem resultierenden Fluß eine Haftkraft des Relais
entspricht, die den Anker auch bei mechanischer Erschütterung des Relais sicher
hält, aber schon von einem, durch einen sehr geringen elektrischen Strom in der
Erregerwicklung des Elektromagneten erzeugten Gegenfluß aufgehoben wird.
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Zweckmäßigerweise liegt der Anker des erfindungsgemäßen Magnetsystems
kippbar auf zwei Ankerlagern des einen Polschuhes und beim Anziehen mit seinem keiltumpfförmigen
Vorderteil aut dem anderen Polschuh auf.
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Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße hochempfindliche Relais so verwendet,
daß es bei seinem Abfallen die Schaltklinke eines Fehlerstromschutzschalters auslöst.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß nunmehr verhältnismäßig grobe Fertigungstoleranzen für die Teile des Magnetsystems
zugelassen werden können, da ihre Auswirkung einmal grob, also über einen großen
Bereich, durch den ersten Dauermagneten, sodann aber mit großer Feinheit durch den
zweiten Dauermagneten ausgeglichen werden kann0 Grbbere Fertigungstoleranzen bedeuten
aber eine wirtschaftliche HerSte1-lung. Dies wird noch dadurch unterstUtzt, daß
die verwendeten Teile herstellungstechnlsch günstige Formen besitzen. So lassen
sich dle kreisrunden Dauermagnete aus Sintermaterial besonders vorteilhaft fertigen.
Die drehbare Lagerung der Dauermagnete ist wegen der Kreisform einfach durchzuführen.
Das aus dem Nebenschluß und den Pol schuhen bestehende Weiehelsengebilde ist ein
einfaches Stanzteil aus Blech gleichmäßiger Wandstärke' desgleichen der Anker. Alle
Teile sind dabei kräftig, so daß das ganze System ein sehr robustes Relais ergibt.
Die Kippankeranordnung hat den besonderen Vorteil, daß bei der Betätigung des Ankers
sehr geringe Reibungskräfte wirksam werden, wodurch die EmRplndllehkelt weiter erhöht
wird, Schließlich ist die nunmehr mögliche, sehr feine Einstellung der Haftkraft
überhaupt erst die Vorbedingung dafür, noeh höher empfindliche Relais zu schaffen
als sie dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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Fig. 1 Schematische Ansicht des Magnetsystems Fig. 2 Magnetisches
Schaltbild des Magnetsystens In der in Fig. 1 dargestellten schematischen Ansicht
des Magnet systems ist zunächst ein Dauermagnet PMl gezeigt. Dieser liegt drehbar
an einem magnetischen Nebenschluß N an, wobei die LuftsplateiLNl und LN2 entstehen.
Der magnetische Nebenschluß N ist Teil eines Weicheisenkreises, der weiterhin aus
dem linken Polschuh 1 und dem rechten Pol schuh 2 besteht und durch den Anker A
geschlossen wird.
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In dem linken Polschuh 1 ist ein zweiter Dauermagnet PM2 drehbar eingelassen.
Der linke Polschuh 1 wird dadurch in die Teile 11 bis 15 aufgeteilt. Zunächst setzt
sich der Querschnitt des magnetischen Nebenschlusses N im Unterteil 11 des Polschuhes
1 rort.
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Er ist durch eine Ausnehmung geschwächt. Die Teile 12 bis 15 umgeben
den drehbaren Dauermagneten PM2. Der linke Polschuh endet in den beiden Ankerlagern
16 und 17.
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Auf den Ankerlagern 16 und 17 liegt der Anker A aur, wobei sich die
Luftspalte LlAl und L1A2 bilden. Die Ankerlager 16 und 17 und die Auflagestelle
des Ankers A sind in bekannter Weise so ausgebildet, daß der Anker hier eine Kippbewegung
vollführen kann.
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Der zwischen den Ankerlagern 16 und 17 liegende Teil des Ankers a
ist mit A1 bezeichnet. Der Anker liegt in seinem stumpfkeilförmig zulaufenden Ende
auf dem rechten Polsohuh 2 auf. Dieser rechte Polschuh 2 trägt eine Drahtwicklung.
Wird diese von einem elektrischen Strom durchflossen, so entsteht der Elektromagnet
EM zwischen den Teilen 21 und 22 des rechten Polsohuhes.
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Fig. 2 zeigt das magnetische Schaltbild des Magnetsystems. Der Dauermagnet
PM1 erzeugt die magnetische Durohflutung oder magnetomotorisohe Krart ePM1 Diese
bewirkt das Fliesen eines magnetischen
Teil flusses zunächst über
den magnetischen Widerstand RLN1 und RLN2 durch den magnetischen Nebenschluß ii
mit dem magnetischen Widerstand RN. Der magnetische Widerstand R ist dabei allgemein
bestimmt durch die Gleichung: RP = 1/µq worin 1 die Länge des betreffenden Teilstückes
und q der Flächeninhalt seines Querschnittes ist.
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µ = µ0µ# ist die Permeabilität des Materials dieses Teilstückes,
wobei dessen relative Permeabilität und µ0 die Permeabilität des leeren Raumes ist.
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Ein weiterer Teilfluß fließt unter der Wirkung der Durchflutung 6PM1
in die Polschuhe 1 und 2. Im linken Polsohuh 1 findert er zunächst den magnetischen
Teilwiderstand R11 vor. Dieser wird durch die im Eisen dieses Polschuhes vorgesehene
Ausnehmung in seiner Größe eingestellt. Sodann führt der Weg dieses Flusses rund
um den zweiten Dauermagneten PM2 herum. Die Teilstücke dieses Weges haben die magnetischen
Widerstände R12 bis R15.
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Dem durch die Durchflutung #PM1 erzeugten Fluß überlagert sioh hier
aber ein zweiter Fluß, der durch die von dem zweiten Dauermagneten erzeugte Durchflutung#PM2
erzeugt wird. Da der Magnet PM2 drehbar ist, ist dieser Anteil wiederum einstellbar.
Der Gesamtfluß durchsetzt das Teilstück 15 und gabel sich sodann, da der linke Poleschuh
in die beiden Ankerlager 16 und 17 ausläuft. Hier findet er den magnetischen Widerstand
RLA1 und RLA2 der beiden Luftspalte zwischen den Ankerlagern und dem Anker vor und
durchsetzt sodann das die beiden Ankerlager Uberdeckende Teilstück Al des Ankers
mit dem magnetischen Widerstand RA. Von dort laufen zwei Teil flüsse durch die magnetischen
Widerstände RA1 und RA2 der Teilstücke Al und A2 zur stumpfkeilförmigen Spitze des
Ankers.
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Der zweite Teil des von der Durchflutung01 # PMl erzeugten Flusses
fließt über die magnetischen Teilwiderstände R21 und R22 des rechten Polschuhes
2. In diesem ist der Auslösefluß wirksam, der durch die von dem Elektromagneten
EM erzeugte Durchflutung#FM bewirkt wird. Die auf den Anker des Magnetsystems ausgeübte
Kraft wird durch den aus allen Teil flüssen resultierenden Gesamt fluß bestimmt,
der im Luftapalt LA2 zwischen Ankerlager A und rechtem Polschuh 2 wirksam wird.
Bei derartigen Relais wird der Anker zunächst zum Aufliegen auf dem rechten Polsohuh
gebracht. Die durch die Dauermagnete erzeugten Flüsse bewirken, daß er in diesem
Zustand auf dem Polschuh haftet, auch entgegen einer z.B den Anker von den Polen
wegziehenden Kraft einer Spiralfeder.
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Die magnetomotorische Kraft0 des Elektromagneten EM bewirkt bei richtiger
Polung einen Gegenfluß, der diese Haftung aufhebt, so daß die Feder den Anker abziehen
kann und das Relais auslöst.
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Sie ergibt sich aus dem Produkt der Windungszahl der Spule mit dem
sie durchfiießenden Strom. Je kleiner der Strom ist, der zur Auslösung genügt, desto
empfindlicher ist das Relais, desto mehr kommt es aber auch daraur an, daß die Haltekraft
auf den Anker genau einstellbar ist. Da sie sehr klein ist, würde die normalerweise
durch einen Dauermagneten erzeugte Durchflutung zu groß sein, wenn dieser Magnet
voll in den Weicheisenkreis eingeschaltet wUrde. Daher verwendet man nur einen Teil
des erzeugten Flusses, indem man den Nebenschluß N für den Magneten PMl vorsieht.
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Durch Schwenken der Nord-Süd-Achse dieses Magneten ist die Größe der
wirksamen Durchflutung0 zwar einstellbar. Die im Lurtspalt bei L&2 benötigte
Haftkraft muß aber um 80 genauer ein stellbar sein, je kleiner sie ist. Es zeigt
sich, daß die Einstellung durch Verschwenken des Magneten PM1 zu grob ist. Wird
ein bestimmter Sohwellwert unterschritten, so haftet der Anker nicht mehr, insbesondere
wenn das Relais mechanischen Erschütterungen ausgesetzt ist. Bei zu grober Einstellmöglichkeit
muß die Haftkraft daher so groß eingestellt werden, daß eine entsprechende Sicherheit
besteht. Damit aber wird das Gerät entsprechend uno empfindlich.
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In der beschriebenen.erfindungsgemäßen Anordnung ist in den Zug des
einen der beiden, durch die von dem Magneten PM1 erzeugte Durchflutung bewirkten,
TelIflUsse-ein zweiter einstellbarer Magnet PM2 so eingeschaltet, daß er, wiederum
unter Anordnung von Nebenschlüssen, einen verhältnismäßig kleinen und daher sehr
genau einstellbaren Gegentluß erzeugt, mit dessen Hilfe die Haltekraft so genau
über dem Schwellwert liegend eingestellt werden kann, daß der zur Auslösung notwendige
Strom auf einem Mindestwert gehalten werden kann, das Gerät also höchstempfindlich
wird.
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Das Magnetsystem wird, wie aus dem Gesagten hervorgeht, mit Hilfe
des Dauermagneten PM1 grob und nach Fixierung desselben durch den zweiten Magneten
auf Höchstempfindlichkeit eingestellt.