DE2365190B2

DE2365190B2 - Elektromagnetsystem

Info

Publication number: DE2365190B2
Application number: DE2365190A
Authority: DE
Inventors: Hugo 3151 Eltze Eggers; Hans-Werner Dipl.-Ing. 3150 Peine Reuting
Original assignee: ELMEG Elektro Mechanik GmbH
Current assignee: ELMEG Elektro Mechanik GmbH
Priority date: 1973-12-29
Filing date: 1973-12-29
Publication date: 1978-10-26
Also published as: ATA773374A; DE2365190A1; SE403674B; NL7416436A; CS174794B2; SE7414640L; US4050043A; GB1492545A; CH575169A5; FR2256523A1; SU704481A3; JPS5523452B2; IT1032112B; JPS5097856A; DD114478A5; GB1492544A

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetsystem mit inem zwischen zwei mit einem Anker zusammenwirenden Jochen angeordneten Permanentmagneten, dem ein den permanenten Magnetfluß zum überwiegenden Teil aufnehmender magnetischer Nebenschluß aus einem magnetisierbaren Material parallel geschaltet ist, und mit einem Arbeitsluftspalt zwischen Jochen und Anker, dessen magnetischer Widerstand größer ist als die Summe der magnetischen Widerstände des restlichen Magnetsystems.

Aus der AT-PS 2 51 682 ist bereits ein Haft- oder Sperr-Relais mit einem derartigen Magnetsystem

ίο bekannt, bei dem der magnetische Nebenschluß zwecks Eirhöhung der Ansprechempfindlichkeit 80 bis 90% des Dauermagnetflusses aufnehmen soll. Dabei wird als Material für den Permanentmagneten eine Aluminium-Nlickel-Cobalt-Legierung verwendet, die möglichst hohe magnetische Feldstärken liefert Die entsprechenden Entmagnetisierungskurven solcher Legierungen besitzen naturgemäß keine große Steilheit, so daß mit solchen Legierungen auch nicht erreicht werden kann, daß der Schnittpunkt der Entmagnetisierungskurve mit der den magnetischen Nebenschluß charakterisierenden 5>cherungsgeraden so liegt, daß der Ausdruck Bo + μ H₀ einen sehr hohen Wert annimmt Dieses und das Bestreben bei diesen bekannten Haft- oder Sperr-Relais, eine gesteigerte Ansprechempfindlichkeit zu erzielen, zeigt, daß diese bekannte österreichische Patentschrift keine Lehre zu vermitteln vermag, wie die Daten des Magnetsystems während des Betriebes möglichst konstant gehalten werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einem Magnetsystem der eingangs genannten Art durch richtige Auswahl des Permanentmagnetmaterials und durch richtige Ausgestaltung des Nebenschlusses zu erreichen, daß während des Betriebes die Daten des Magnetsystems konstant gehalten werden und nicht die sonst bestehende Gefahr auftritt, daß bei höheren, im Betrieb des Magnetsystems auftretenden Erregungen der Dauermagnetismus des Permanentmagneten geschwächt oder sogar umgekehrt wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Materia! des Permanentmagneten sowie der magnetische Leitwert des Nebenschlusses derart gewählt sind, daß sich durch die Belastung mit dem Nebenschluß auf der Entmagnetisierungskurve des Permanentmagneten ein Arbeitspunkt einstellt, indem der Ausdruck Bo + μ Ho größer als 0,8 Tesla ist, wobei ßb die lCraftflußdichte, Ho die Feldstärke und μ die Permeabilität des Permanentmagneten im Arbeitspunkt bedeuten. Um das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen, hat man

so demnach möglichst kräfige Nebenschlüsse zu verwenden und muß ein dafür geeignetes Material auswählen; d. h. dieses Material muß bei für den kräftigen Nebenschluß ausreichenden Flüssen bzw. hohen Flußdichten noch eine Feldstärke liefern, bei der man mit einer an die Raumverhältnisse im Magnetsystem und an die Fertigungsbedingungen besser angepaßten größeren Magnetlänge die gewünschte Betriebsspannung für das Magnetsystem erzielt.
Solche Materialien haben Entmagnetisierungskurven,

bo die mit einer steilen Nebenschlußgeraden einen solchen Schnittpunkt B₀; Ho ergeben und die außerdem einen solchen μ-Wert haben, daß der Ausdruck Bo + μ Ho möglichst groß ist. In erster Näherung kann man einfach das Material wählen, dessen Remanenzpunkt B_r am

b5 höchsten liegt.

Es hat sich gezeigt, daß es sinnvoll ist, möglichst solche Materialien zu verwenden, bei denen der Ausdruck Bo + μ Ho über 0,8 Tesla liegt. Im Augenblick

ist das bei hochwertigen Al-Ni-Co-Materialien der Fall.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken, daß aufgrund des Permanentmagneten an den Arbeitsluftspalten eine weitgehend konstante Spannung zur Verfugung steht und der eingestellte Arbeitspunkl äußerst stabil ist, so daß er durch äußere Beeinflussung praktisch kaum verändert werden kann und infolgedessen eine exakte Arbeitsweise des Magnelsystems sichergestellt ist und ein Umpolen, wie es bei bekannten Magnetsystemen ohne Nebenschluß oder ohne sehr kräftigen Nebenschluß relativ leicht möglich ist, so gut wie ganz ausgeschlossen wird. Andererseits bricht bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bei Annäherung des Ankers an die Polschuhe und einer damit einhergehenden zusätzlichen Flußentnahme die magnetische Spannung nicht nennenswert zusammen. Zugleich bewirkt der sehr kräftige Nebenschluß, daß nahezu die gesamte Erregerdurchflutung am Arbeitsluftspalt zur Verfügung steht. Dies führt zu einer sehr hohen Empfindlichkeit des Relaissysteme, da die Erregerdurchflutung nahezu voll für die Ankerumschaltung und nicht — wie bei bekannten Relais — für die Magnetisierung des Permanentmagneten und/oder schwacher Nebenschlüsse genutzt wird.

Aus der US-PS 25 11114 ist zwar auch ein Magnetsystem bekannt, bei dem parallel zu Permanentmagneten ein magnetischer Nebenschluß vorgesehen ist Dieser Nebenschluß ist jedoch relativ schwach und dient lediglich als Hilfsnebenschluß, der zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und schwankenden Permanentmagneteigenschaften dienen soll. Über die Auswahl des Permanentmagnetmaterials und die Höhe des Leitwertes des Nebenschlusses ist dabei nichts ausgesagt. Auf jeden Fall ist allein der Leitwert des Nebenschlusses hier so gering, daß bei diesem Magnetsystem nicht die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann.

Dies trifft auch auf das in der DE-PS 8 90 929 gezeigte Magnetsystem eines Haltemagneten zu, bei dem zu dem Permanentmagneten ein veränderlicher magnetischer Nebenschluß geschaltet ist, wobei durch elektrische Erregung die Leitfähigkeit von vorhandenen Magnetjochen herabgesetzt wird, bis ein an den Jochen haftender Magnetanker abfallen kann. Auch hier ist über die Leitfähigkeitsverhältnisse und das Material des Permanentmagneten nichts Entsprechendes ausgesagt.

Auch aus dem Buch »Abriß der Dauermagnetkunde« von Dr. Ing. J. F i s c h e r, Springer-Verlag 1949, S. 107 und 108, ist kein erfindungsgemäß ausgebildetes Magnetsystem zu entnehmen. Hier wird vielmehr lediglich dargelegt, wie bei einem reinen Haltemagnet mit großem Streufluß die magnetische Induktion nach dem Aufmagnetisieren des Permanentmagneten nicht so weit absinken kann, wie bei einem Magne;system mit entsprechend höherem magnetischen Widerstand zwischen den Polschuhen. Es wird also praktisch klargemacht, wieso in bekannter Weise ein Hufeisenmagnet mit eng beieinanderliegenden Schenkeln eine größere Haltekraft aufweisen kann als beispielsweise ein Stabmagnet oder ein anderer Hufeisenmagnet mit sehr weit auseianderliegenden Schenkeln. Aussagen über die Auswirkung von bestimmten Magnetmaterialien und demgegenüber entsprechender Beschaffung des Leitwertes eines Nebenschlusses sind hier nicht gemacht worden.

Aus dem DE-GM 18 19 419 ist auch noch ein Elektromagnetsystem bekannt, bei dem im Nebenschluß ein dessen magnetischen Widerstand definierender Luftspalt vorgesehen ist. Dieser Nebenschluß ist aber ansonsten auch so beschaffen, daß er nicht zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dienen kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der magnetische Nebenschluß aus einem mit einer parallel zu den zwei Jochen verlaufenden Nut versehenen Klotz, in die der Permanentmagnet eingesetzt ist. Die auf diese Weise den Magnet seitlich überragende Kante oder überragenden Kanten des

id Klotzes mit vergleichsweise geringem Querschnitt bilden dabei den eigentlichen Nebenschluß, so daß der gewünschte zusätzliche magnetische Widersland ohne nennenswerten zusätzlichen Platzbedarf erzielt werden kann, während der übrige Teil des Klotzes praktisch einen magnetischen Kurzschluß bildet, über den die Enden des Magneten an die Joche herangeführt werden. Diese Ausbildung des Nebenschlusses hat den Vorteil, daß der Permanentmagnet nach außen weitgehend abgeschirmt ist und von außen nicht ohne weiteres beeinflußt werden kann. Dies ist auch günstig bei einer Aufmagnetisierung des Permanentmagneten außerhalb des Magnetsystems.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung, die in bezug auf eine solche Aufmagnetisierung und für den Schutz des Permanentmagneten noch günstiger ist, besteht darin, daß der Permanentmagnet in einen als Nebenschluß dienenden Klotz eingebettet ist, der an den Polflächen des Permanentmagneten anliegt und zumindest zwei seiner Seitenflächen umschließt. Der Klotz

μ aus magnetisch leitendem Material kann dabei beispielsweise aus zwei im Querschnitt U-förmigen Teilen zusammengesetzt sein, die mit den Schenkeln des U den Permanentmagneten umfassen. Dieser ist infolgedessen nahezu völlig gegen äußere Einflüsse abgeschirmt und

jj bildet mit dem Nebenschluß einen geschlossenen magnetischen Kreis. Der Teil des Klotzes, der an den Polflächen angrenzt, bildet dabei einen magnetischen Kurzschluß des Magneten zu den Jochen, während die U-Schenkel den eigentlichen Nebenschluß bilden.

Da normales Weicheisen eine hohe Permeabilität besitzt, die stark von der jeweils herrschenden Feldstärke abhängt, kann es bei seiner Benutzung für den Nebenschluß vorkommen, daß bei den in dem Magnetsystem notwendigen Feldstärken die Permeabi-

4> lität des Weicheisen-Nebenschlusses mit sinkender Feldstärke steigt. In diesem Fall würde eine am Nebenschluß herrschende magnetische Spannung infolge der steigenden Permeabilität bzw. des sinkenden Widerstandes des Nebenschlusses so weit zusammenbrechen, bis sich ein stabiler Zustand in der Nähe des Maximums der μ,-Kurve einstellt. Um ein solches Absinken der Magnetspannung zu verhindern, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß im Nebenschluß ein dessen magnetischen Widerstand

■y> definierender Luftspalt vorgesehen ist. Dieser Luftspalt bestimmt maßgeblich den magnetischen Widerstand des Nebenschlusses und verhindert große Schwankungen desselben.

Da die Dicke eines solchen Luftspaltes für eine exakte

W) Festlegung des magnetischen Widerstandes des Nebenschlusses genau bemessen sein muß, wird im Hinblick auf eine relativ einfache Fertigung als vorteilhafte Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Nebenschluß aus zwei im Querschnitt U-förmigen

t:% Teilen gebildet wird, die durch ein den Luftspalt darstellendes Abstandsblech voneinander getrennt sind. Derartige Abstandsbleche sind im Handel beispielsweise in Form von einer äußerst exakte Dicke besitzenden

Bronzefolien erhältlich und ermöglichen es, daß die beiden Teile des Nebenschlusses auf diese Bronzefolie gepreßt werden und somit einen exakten Abstand voneinander bekommen, der den magnetischen Widerstand des Nebenschlusses definiert. Zugleich verhindert ein solches Abstandsblech, daß sich Eisenspäne u. dgl. am und im Luftspalt ansammeln können, wodurch der Nebenschlußwiderstand verändert und somit die exakte Arbeitsweise des Magnetsystems gefährdet würde.

Im Weiterbildung der Erfindung ist anstatt des Luftspaltes oder auch zusätzlich zu ihm vorgesehen, daß der magnetische Widerstand des Nebenschlusses mil wachsender magnetischer Feldstärke sinkt. Dies kann durch die Abstimmung zwischen dem für das Magnetsystem notwendigen Feldstärkebereich und dem Nebenschluß-Material und/oder der Dimensionierung des Nebenschlusses erreicht werden und liefert einen zusätzlichen Stabilisierungseffekt für die magnetische Spannung. Steigt diese nämlich beispielsweise aufgrund der Erregung oder der Veränderung der Arbeitsluftspalte an, so reagiert darauf der Nebenschluß mit einem geringeren Widerstand, der die Spannungserhöhung wieder kompensiert. Ebenso wirkt dabei ein steigender Widerstand des Nebenschlusses einem Spannungszusarnmenbruch entgegen.

Zur einwandfreien Funktion eines Magnetsystems, beispielsweise eines Relais, ist es wichtig, daß die Permanentmagnetspannung fertigungstechnisch reproduzierbar ist, damit der Verlauf der auf den Anker wirkenden Magnetkraft exakt festgelegt werden kann. Wären nämlich die Kräfte zu groß, so würde das Relais unempfindlich, wären sie zu klein, so würde die Funktionssicherheit des Relais beeinträchtigt. Wenn aus vorgenannten Gründen besonders hohe Anforderungen an die Reproduzierbarkeit des Kraftverlaufs gestellt werden, so kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der magnetische Widerstand des Nebenschlusses nach Zusammenbau des Magnetsystems veränderbar ist. Dies kann auf verschiedene Weise, beispielsweise durch das Vorsehen einer Schraube aus rnagnetisierbarem Material, durch die der magnetische Widerstand des Nebenschlusses verändert werden kann, oder durch irgendwie den Widerstand des Nebenschlusses veränderbare Luftspalte im Nebenschlußweg od. dgl. erfolgen. Am vorteilhaftesten ist jedoch gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Reihe mit dem Nebenschluß ein durch eine Folie mit unterschiedlichem Eisengehalt ausgefüller Luftspalt vorgesehen. Diese Folie kann beispielsweise aus einem mit Eisenpulver durchsetzten Kunststoffplättchen bestehen, das in den Luftspalt einziehbar ist. Dabei kann das Eisenpulver längs des Kunststoffplättchcns in unterschiedlicher Dichte enthalten sein, so daß ein Verschieben des Kunststoffplättchens den Nebenschluß vergrößert oder verkleinert. Hierbei wird ebenfalls zugleich verhindert, daß sich im Betrieb an der Stelle eines Liiftspaltcs Eisenteilchen ansammeln, durch die die Betriebsdaten des Magnetsystems verändert würden.

Bei der erfindungsgemäß durchzuführenden Wahl des Permanenlmagnetmaterials können nicht sämtliche, für die Herstellung von Permanentmagneten übliche Legierungen verwendel werden, da deren F.ntmagnclisierungskiirven nicht den notwendigen Verlauf besitzen. Diese Bedingungen an die Auswahl des Permanentmagnutmiileriiils sind jedoch dadurch leicht /ti erfüllen, daß der Peniiancniiiiagiiel ).ίμιιηΗ einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus einer Aluminium-Nickel- oder Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung besteht. Dabei isi es aus der AT-PS 2 51 682 über den Oberbegriff de; Anspruchs I hinaus bekannt, daß der Permanentmagnel aus einer Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung besteht.

■-, Diese Magnetwerkstoffe besitzen nämlich Entmagnetisierungskurven, die hohe Flußdichten bei relativ hoher Feldstärken aufweisen. Derartige Entmagnetisierungskurven in Verbindung mit kräftigen Nebenschlüsser bewirken, daß Änderungen des übrigen magnetischer

ίο Widerstandes des Magnetsystems nur zu sehr geringer Schwankungen der Magnetspannung führen. Gleichzeitig besitzen solche Legierungen den Vorteil einer sehr geringen Temperaturabhängigkeit der magnetischer Eigenschaften, was sich ebenfalls günstig auf die

i) Konstanthaltung der magnetischen Spannung bzw. des eingestellten Arbeitspunktes auswirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Relais mit einem erfindungsgemäO ausgebildeten Magnetsystem,

F i g. 2 ein Analogieschaltbild des in dem in Fig. 1

:■> gezeigten Relais verwendeten Magnetsystems,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines dem ir F i g. 1 gezeigten ähnlichen Relais, wobei jedoch det Magnetanker fortgelassen ist und der Permanentmagnet und der Nebenschluß eine modifizierte Gestaltung

to besitzen.

F i g. 4 eine Draufsicht auf ein den in Fig. 1 und F i g. 3 gezeigten ähnliches Relais mit einer modifizierten Ausgestaltung des Nebenschlusses,

Fig. 5 eine Ansicht einer weiteren modifizierter

i) Ausgestaltung des Nebenschlusses und

F i g. 6 ein Diagramm, anhand dessen die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Magnetsystems und die erfindungsgemäße Auswahl der zu verwendender Permanentmagnetmaterialien erläutert wird.

j» Alle in den Zeichnungen gezeigten Relais besitzen zwei U-förmig ausgebildete Magnetjoche I und 2 zwischen deren Basen jeweils ein Permanentmagnet 3 angeordnet ist. Zwischen den freien Schenkeln dei Magnetjoche ist ein — nur in Fig. 1 gezeigter —

■n Magnetanker 4 dergestalt schwenkbar gelagert, dafi seine seitlichen Endflächen jeweils an zwei sich diagonal gegenüberliegenden Schenkeln der Magnetjoche 1 unc 2 zum Anliegen kommen können. Der Magnetanker A ist zu seiner Erregung von einer in Fig. 1 nui

">o schematisch dargestellten Magnetspule 5 umgeben Solche Relais mit den bisher beschriebenen Teilen sine bekannte gcpolte und in der Regel bistabile Relais mil deren ebenfalls bekannter Arbeitsweise.

Das Magnetsystem ist bei diesen Relais so ausgebil-

■V) det, daß zusätzlich zu dem Permanentmagneten 2 zwischen den lochen 1 und 2 ein den Permanentmagnel zumindest teilweise überbrückender Nebenschluß 6 au; magnetisierbarem Material vorgesehen ist, der bewirkt daß der magnetische Widerstand der Parallelschaltung

ho aus Permanentmagnet und Nebenschluß kleiner ist al; die jeweilige Summe der übrigen magnetischer Widerstände des Magnetsystems. In F i g. 1 ersteckt sicr dabei der Permanentmagnet 3 von einem Joch bis zurr linderen joch, wobei der NcbcnschluU aus einer parallc

iii zum Permanentmagneten 3 liegenden, die beiden Jochi I und 2 miteinander verbindenden Brücke besteht Durch diese Brücke aus magnetisch leitendem Malerin werden die angegebenen Verhältnisse, wie anhand clci

F i g. 6 erläutert wird, erreicht.

Zum besseren Verständnis werden hier teilweise Begriffe der Elektrotechnik verwendet. Entsprechend ist in Fig.2 auch ein als elektrische Schaltung dargestelltes Schaltschema angegeben, das die magneti- ■; sehen Verhältnisse des in Fig. 1 gezeigten Relais wiederspiegelt. Als Spannungsquellen sind dabei die magnetische Erregerspannung Us, die durch die Magnetspule 5 bei deren Erregung hervorgerufen wird, und die Permanentmagnetspannung U₃ vorhanden, die sich aufgrund der Stärke der Permanentmagneten ergibt. In Reihe mit der Spannungsquelle für die Permanentmagnetspannung t/3 liegt dabei ein Widerstand, der den magnetischen Innenwiderstand /?, dieser Spannungsquelle darstellt und sich aus der Permeabilität und den Abmessungen des Permanentmagnetmaterials ergibt. Parallel zu dem Innenwiderstand /?,■ und der Spannungsquelle mit der Spannung i/3 liegt ein weiterer Widerstand, der den magnetischen Nebenschlußwiderstand Rn darstellt und sich aus der Permeabilität des Materials des Nebenschlusses 6 und dessen Abmessungen ergibt. Die Parallelschaltung aus dem Innenwiderstand /?, und der Spannungsquelle mit der Spannung f/3 mit dem Nebenschlußwiderstand Rn verkörpert somit ein Ersatzschaltbild für eine magnetische Spannungsquelle, die aus dem Permanentmagneten 3 und dem Nebenschluß 6 besteht.

Parallel zur Spannungsquelle für die magnetische Erregerspannung U₅ liegen weitere Widerstände R_L\ und R1.2 sowie Rl3 und Rn- Diese Widerstände stellen jo die magnetischen Widerstände dar, die durch die Arbeitsluftspalt zwischen dem Magnetanker 4 und den einzelnen Schenkeln der Magnetjoche 1 und 2 gebildet werden. Diese Widerstände sind infolgedessen in Abhängigkei t von der Ankerstellung variabel.

Anhand dieses Analogieschaltbildes ist ersichtlich, daß ohne Nebenschluß (für einen zu großen Nebenschlußwiderstand Rn gilt Entsprechendes) die Magnetspannung aufgrund des sehr hohen Innenwiderstandes Ri äußerst stark schwanken würde, wenn sich die Luftspaltwiderstände Rl ändern. Zudem müßte bei äußerer Erregung die magnetische Erregerspannung t/5 viel größere Werte als an und für sich nötig annehmen, da die Durchflutung aufgrund der äußeren Erregung auch den sehr hohen Innenwiderstand /?,■ überwinden muß. Hierbei wird — beispielsweise schon bei geringen Übererregungen — sehr leicht der Permanentmagnet so stark entmagnetisiert, daß sich ein völlig anderer Arbeitspunkt einstellt, der die Betriebsdaten des Relais so verändert, daß dieses nicht mehr vorschriftsmäßig oder überhaupt nicht mehr arbeitet. Ebenfalls kann es dabei leicht zu Umpolungen des Permanentmagneten kommen, wodurch das Relais völlig unbrauchbar wird. Bei solchen bekannten Relais ohne kräftigen Nebenschluß werden teilweise außerdem noch zusätzliche, nennenswerte magnetische Widerstände geschaffen, indem die Weicheisenwege des Relais in Sättigung betrieben werden. Wegen des hohen Innenwiderstandes Ri und solcher zusätzlichen Widerstände aufgrund von Sättigung wird dabei das Magnetsystem bzw. das Relais wi sehr unempfindlich.

Wenn nun jedoch ein magnetischer Nebcnschlußwidersland R_n vorgesehen ist, der kleiner ist als die jeweilige Summe der übrigen magnetischen Widerstünde, also der Luflspaltwiderstände und sonstiger (>^r> Widerstände im Eisenweg des Magnetsystems bzw. Relais, so ist aus dem Schaltbild gemäß Fig. 2 leicht ersichtlich, daß durch die Parallelschaltung aus /?,, U_i und Rn eine Magnetspannungsquelle geschaffen ist, die im wesentlichen eine konstante magnetische Spannung liefert, die durch Veränderungen der übrigen magnetischen Widerstände des Magnetsystems nur unwesentlich beeinflußt werden kann. Diese Magnetspannungsquelle ist dabei selbstverständlich um 50 konstanter, je kleiner der Nebenschlußwiderstand Rn im Vergleich zu den übrigen Magnetwiderständen ist. Will man diese Spannung möglichst unverändert an die Arbeitsluftspalte heranbringen, so muß man darauf achten, daß auch die übrigen Weicheisenwiderstände, insbesondere von Anker und Jochen klein sind gegenüber den Widerständen der Arbeitsluftspalte. Dies führt dazu, daß auch die Erregerspannung t/5 nahezu voll an den Arbeitsluftspalten zur Verfügung steht, weil andere Widerstände, die magnetisiert werden müßten, in nennenswerter Größe nicht vorhanden sind. Dies führt zu der höchstmöglichen Empfindlichkeit.

Anstatt den magnetischen Nebenschluß wie in F i g. 1 gezeigt auszubilden, kann er auch gem. F i g. 3 aus einem mit einer parallel zu den Jochen 1 und 2 verlaufenden Nut 7 versehenen Klotz 8, in die der Permanentmagnet 3 eingesetzt ist, bestehen. Dabei bildet der schmale, den Permanentmagneten 3 seitlich überragende Teil 9 den eigentlichen Nebenschluß, während der übrige Teil 10 des Klotzes 8 praktisch einen magnetischen Kurzschluß des Permanentmagneten 3 mit dem Joch 1 darstellt. Der gesamte Klotz 8 kann beispielsweise aus Weicheisen bestehen.

Die Möglichkeit einer zusätzlichen Justierung der magnetischen Spannung bietet eine Ausgestaltung gem. F i g. 4, bei der an dem sich zwischen den beiden Jochen

I und 2 erstreckenden Nebenschluß 6 an dessen linker Seite ein Luftspalt vorgesehen ist, der durch eine Folie

II ausgefüllt ist. Diese Folie 11 kann beispielsweise aus einem Kunststoffplättchen bestehen, das in unterschiedlicher Dichte mit Eisenpulver durchsetzt ist. Wird dieses Plättchen somit in der Richtung weiter in den Luftspalt hineingeschoben, in der die Dichte des Eisenpulvers auf dem Plättchen ansteigt, so wird der Nebenschluß vergrößert, während er im entgegengesetzten Fall verkleinert wird. Dadurch wird praktisch der Nebenschlußwiderstand Rn variabel gemacht. Die Ausfüllung des Luftspaltes mit einer Folie bewirkt dabei zusätzlich, daß sich während des Betriebes keine Eisenteilchen o. dgl. an dem Luftspalt ansammeln und somit den Arbeitspunkt des Magnetsystems verändern können.

In Fig.5 ist eine andere Ausgestaltung einer Parallelschaltung aus einem Permanentmagneten 3 und einem Nebenschluß 6 gezeigt. Der Nebenschluß besteht hier aus zwei Teilen 12 und 13, die jeweils U-förmigen Querschnitt besitzen und den Permanentmagneten 3 zwischen sich einbetten. Die aufeinander zu weisenden und durch einen Luftspalt in Form eines dünnen Abstandsbleches 14 aus Bronzefolie voneinander getrennten Schenkel der U-förmigen Teile bilden dabei den eigentlichen Nebenschluß, während die an den Polflächen des Permanentmagneten angrenzenden Bereiche einen Kurzschluß des Permanentmagneten zu angrenzenden Jochen o. dgl. darstellen. Eine solche Parallelschaltung aus Permanentmagnet und Nebenschluß besitzt den Vorzug, daß der Permanentmagnet nahezu völlig geschützt und abgeschirmt ist und auch außerhalb des Magnetsystems mit dem Nebenschluß einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, durch den eine Aufmagnetisicrung außerhalb des Magnctsystems ermöglicht wird. Da das Abstandsblech 14 aus einem Material mit einer Pcrmeabilitiit besteht, die der

von Luft entspricht und nicht von der vorhandenen Feldstärke abhängig ist, definiert es einen äußerst exakt bemessenen Luftspalt, der den magnetischen Widerstand des Nebenschlusses bestimmt und dafür sorgt, daß die magnetische Spannung nicht aufgrund der feldstärkeabhängigen Permeabilität weitgehend zusammenbrechen kann. Anstelle eines so oder anders gearteten Luftspaltes im Nebenschluß oder auch zusätzlich kann für diesen auch ein Material gewählt werden, dessen Widerstand mit steigender Feldstärke sinkt und das somit einer Veränderung der magnetischen Spannung entgegenwirkt. Diese Wirkung läßt sich mit Hilfe der F i g. 2 veranschaulichen. Steigt dort beispielsweise wegen Veränderung der Luftspaltwiderstände Rl oder der Erregerspannung Us die magnetische Spannung an der Parallelschaltung aus R/, U3 und Rn, so wird wegen des gewählten Materials der Nebenschlußwiderstand kleiner, was zu einer Kompensation dieser Spannungserhöhung führt. Entsprechendes gilt dabei für ein Absinken der Spannung an der Parallelschaltung.

In Fig.6 sind mit einer die Kraftflußdichte B angebenden Ordinate und einer die magnetische Feldstärke H angebenden Abszisse Entmagnetisierungskurven für unterschiedliche Magnetmaterialien gezeigt Dabei ist einmal eine Entmagnetisierungskurve für die bisher beispielsweise in Relais vielfach verwendeten Permanentmagnete aus Oxydmaterial und andererseits die Entmagnetisierungskurve für eine gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als Permanentmagnetmaterial verwendete Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung gezeigt.

Solche Entmagnetisierungskurven geben keineswegs unmittelbar das Verhalten des Magneten für verschiedene Belastungszustände wieder. Vielmehr stellt sich nach dem Aufmagnetisieren auf der Entmagnetisierungskurve ein Arbeitspunkt (Bo; Ho) ein, der durch den Fall geringster Flußbelastung bestimmt wird. Der Permanentmagnet wird mit hohen Flüssen aufmagnetisiert. Beim Abschalten dieser Aufmagnetisierung sinkt der Fluß bis zu dem Wert, der von dem Nebenschlußwiderstand und ggf. von den übrigen magnetischen Widerständen aufgenommen wird.

Bei Änderung der Ankerstellung oder Einschalten einer Erregung verschiebt sich dann der Arbeitspunkt weiter, bis der unter allen vorkommenden Betriebszuständen kleinste Fluß bzw. Induktionswert erreicht ist. Im normalen Betrieb können dann nur noch größere Induktionen im Magneten auftreten. Seine Feldstärke ändert sich dann nicht mehr gemäß der Entmagnetisierungskurve, sondern ungefähr entlang einer Geraden, die vom tiefsten Arbeitspunkt (Bo; H₀) auf der Entmagnetisierungskurve ausgeht und die Steigung

Iß

l//

(Permeabilität des Magnetmaterials) hat, wie die ausgezogene, vom eingezeichneten Arbeitspunkt (Bo; Ho) nach rechts oben steigende Gerade für die Al-Ni-Co-Legierung oder die gestrichelte Gerade für das Oxydmaterial zeigt. Links der Entmagnetisierungskurve gilt diese Gerade jedoch nicht. Darumjwird sich, wenn der Magnet durch irgendeinen Vorgang noch weiter entlastet wird, die Induktion auch nur vorübergehend noch kleiner wird, als bisher vorgekommen, der Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungslinie weiter nach unten verschieben. Es gilt dann beispielsweise eine Arbeitsgerade, wie sie für das Al-Ni-Co-Material gestrichelt eingezeichnet ist, die etwa parallel zu der ausgezogenen, vom eingezeichneten Arbeitspunkt (Bo; Ho) schräg nach rechts oben verlaufenden Arbeitsgera- ·> den verläuft.

Diese zuletzt beschriebene Erscheinung ist ein ernstes Kriterium beispielsweise bei allen bekannten Haftrelais, denn immer, wenn eine Erregung eingeschaltet wird, die größer ist als alle bisher angewendeten Erregungen, verschiebt sich der Arbeitspunkt des Magneten weiter nach unten, wodurch die Betriebsdaten des Relais verändert werden. Schon dabei kann das Relais unbrauchbar werden. Es kommt aber zu einer völlig veränderten Verhaltensweise des Relais, wenn sich der

r> Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungslinie nach unterhalb der Abszisse verschiebt, wo sich die Entmagnetisierungskurve fortsetzt, obwohl das üblicherweise und auch in Fig.6 nicht gezeichnet ist. Wie noch ersichtlich wird, wird diese äußerst nachteilige Erscheinung durch das erfindungsgemäße Magnetsystem praktisch völlig ausgeschlossen.

Außer den bisher beschriebenen Kurven ist in F i g. 6 noch eine Gerade a eingezeichnet, die den Nebenschluß repräsentiert und angibt, welche Flüsse der Neben-Schluß bei welchen magnetischen Spannungen dem Permanentmagneten entnimmt, d. h. welche Induktion bei welchen Feldstärken, sofern das Magnetsystem selber keinen Magnetfluß benötigt. Die Steigung der Geraden a ist also ein Maß für den magnetischen

jo Leitwert des Nebenschlusses, mit dem der Permanentmagnet belastet wird. Der Schnittpunkt dieser Geraden a mit der Entmagnetisierungskurve ist der Arbeitspunkt (Bb; Wo), der sich ergeben würde, wenn die übrigen magnetischen Widerstände des Magnetsystems unend-

J5 lieh groß wären gegenüber dem Nebenschlußwiderstand Rn, oder wenn das Magnetsystem in geeigneter Weise erregt wird. Berücksichtigt man aber, daß diese übrigen Widerstände auch endliche Werte besitzen, so ergibt sich eine andere Gerade b durch den Nullpunkt, die den Gesamtleitwert des Magnetsystems repräsentiert und deren Steigung beispielsweise entsprechend den veränderlichen Luftspaltwiderständen Rl und der unterschiedlichen Erregung in geringem Maße schwanken kann. Der Schnittpunkt dieser Geraden b mit der //,-Geraden bestimmt dann den jeweiligen Arbeitspunkt auf der //,-Geraden. Die Steilheit dieser Geraden b, die bei normalem Betrieb des Magnetsystems immer größer ist als die der Geraden a, errechnet sich aus der Summe des Leitwertes des Nebenschlusses und der

w übrigen Leitwerte des Systems. Da der Nebenschluß selbst schon eine sehr steile Gerade a bewirkt, wird die Steilheit der Geraden b durch weitere Belastungen des Magnetsystems durch Luftspaltwiderstände und Erregung nur unwesentlich steiler, d. h. die Arbeitspunkte

Y> liegen eng beieinander. Um die Lage des Arbeitspunktes (Bo; Ho) zu verändern, bedürfte es somit außergewöhnlich starker Einflüsse, wie beispielsweise einer äußerst starken Übererregung, die praktisch nicht vorkommen. Es ist aber ersichtlich, daß starke Übererregungen, die

hi) beispielsweise zu der gestrichelt gezeigten μ-Geraden führen wurden, den Arbeitspunkt des Magnetsystems aufgrund der ausgewählten Magnetisierungskurve nicht stark verschieben können. Auch bei einer solchen Verschiebung würde die magnetische Spannung nur

b^r) unwesentlich variieren, und zwar um so weniger je steller die Entmagnetisierungskurve verläuft.

Grundsätzlich ist es natürlich möglich, eine stabile Magnetspannungsquellc auch ohne Nebenschluß da-

durch zu erzeugen, daß man den Innenwiderstand des Magneten

R₁■ =

/"I

ausreichend klein hält. Dazu ist es erforderlich, die Länge /des Magneten sehr klein und den Querschnitt q sehr groß zu machen; insbesondere wenn außerdem noch wie bei Oxydmaterial das μ kleiner ist als bei anderen Materialien. Dieses führt in der Regel zu außerordentlich dünnen, großflächigen Magnetplättchen, die sehr schwer herstellbar sind und außerdem eine sehr große Grundfläche im Magnetsystem bzw. Relais erfordern, wodurch diese Magnetsysteme unnötig groß werden.

Wenn man diesen Weg beschreitet, hat man aber noch einen entscheidenden weiteren Nachteil in Kauf zu nehmen, der darin besteht, daß bei fehlendem Nebenschluß der gesamte äußere Erregerfluß über den Magneten geführt wird. Infolgedessen genügen schon verhältnismäßig geringe Erregerdurchflutungen bzw. -flüsse, um den Magneten umzupolen, zumindest aber seinen Arbeitspunkt zu verlagern, wenn — was in einer bestimmten Ankerstellung immer der Fall ist — äußerer Erregerfluß und Permanentmagnetfluß entgegengesetzt gerichtet sind.

Hochwertige Al-Ni-Co-Materialien sind für eine Konstanthaltung der magnetischen Spannung äußerst -> förderlich, da für große Kraftflußdichten B noch erhebliche Feldstärken H vorhanden sind. Das bedeutet aber, daß auch bei sehr starken Nebenschlüssen der B₀; Ho-Punkt noch im Bereich ausreichend großer Feldstärken liegt, so daß die magnetische Spannung durch starke

ίο Nebenschlüsse konstant gehalten wird und trotzdem noch die für das Magnetsystem notwendige magnetische Spannung erhalten wird. Außerdem ist aus F i g. 6 noch ersichtlich, daß die eingezeichneten μ,-Geraden beim Al-Ni-Co-Material wesentlich steiler verlaufen als

ι "> beim Oxyd-Material. Auch dies ist günstiger für eine Konstanthaltung der magnetischen Spannung, da bei einem bestimmten Winkel zwischen den Geraden a und b der Unterschied der H-Werte in den Schnittpunkten der Geraden a und b mit der ^-Geraden bei steilen

2(i /(.-Geraden geringer ist als bei weniger steilen ,w-Geraden. Außerdem ist der Winkel zwischen den Geraden a und b bei gleicher Belastungsänderung im Magnetsystem um so kleinen je steiler a an sich schon ist.

Hierzu 1 Blatt Zcichnuimen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetsystem mit einem zwischen zwei mit einem Anker zusammenwirkenden Jochen angeordneten Permanentmagneten, dem ein den permanenten Magnetfluß zum überwiegenden Teil aufnehmender magnetischer Nebenschluß aus einem magnetisierbarer! Material parallel geschaltet ist, und mit einem Arbeitsluftspalt zwischen Jochen und Anker, dessen magnetischer Widerstand größer ist als die Summe der magnetischen Widerstände des restlichen Magnetsystems, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Permanentmagneten (3) sowie der magnetische Leitwert des Nebenschlusses (6) derart gewählt sind, daß sich durch die Belastung mit dem Nebenschluß auf der Entmagnetisierungskurve (Fig.6) des Permanentmagneten (3) ein Arbeitspunkt (Bo, Ho in Fi g. 6) einstellt, in dem der Ausdruck Bo + μ Ho größer als 0,8TesIa ist, wobei B₀ die Kraftflußdichte, H₀ die Feldstärke und μ die Permeabilität des Permanentmagneten (6) im Arbeitspunkt bedeuten.

2. Elektromagnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß (6) aus einem mit einer parallel zu den zwei Jochen (1, 2) verlaufenden Nut (7) versehene Klotz (8) besteh;, in die der Permanentmagnet (3) eingesetzt ist

3. Elektromagnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) in einen als Nebenschluß (6) dienenden Klotz eingebettet ist, der an den Polflächen des Permanentmagneten anliegt und zumindest zwei seiner Seitenflächen umschließt (F i g. 5).

4. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß (6) ein dessen magnetischen Widerstand definierender Luftspalt vorgesehen ist.

5. Elektromagnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß (6) aus zwei im Querschnitt U fcrmigen Teilen (12, 13) gebildet wird, die durch ein den Luftspalt darstellendes Abstandsblech (14) voneinander getrennt sind.

6. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand (R_n) des Nebenschlusses (6) mit wachsender magnetischer Feldstärke sinkt.

7. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand (R_n) des Nebenschlusses (6) nach dem Zusammenbau des Magnetsystems veränderbar ist.

8. Elektromagnetsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Nebenschluß (6) ein durch eine Folie (11) mit veränderlichem Eisengehalt ausgefüllter Luftspalt vorgesehen ist.

9. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) aus einer Aluminium-Nickel- oder Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung besteht.