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Elektromagnetisch steuerbarer Schalter ======================================
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen steuerbaren Schalter mit einem
aus ferromagnetischem Material bestehendem Kontaktstück, das durch eine es umgebende
Erregerwicklung polarisierbar und in zwei durch magnetische Kraft bestimmte Endlagen
bringbar ist, wobei es in mindestens einer der beiden Endlagen eine Verbindung zwischen
zwei Kontakten zur Schließung eines Stromkreises herstellt.
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Ein derartiger als bistabiler Schutzrohrschalter mit zwei Dauermagneten,
zwischen denen das Kontaktstück hin- und herbeweglich ist ausgebildeter Schalter,
ist beispielsweise in der US-PS 3 798 951 beschrieben.
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Bei einem Schalter der eingangs erwähnten Art ist es erwünscht,
daß
das bewegliche Kontaktstück in eine flächige Anlage mit den Kontakten kommt, wobei
außerdem auch die magnetische Kraft, die beispielsweise von mindestens einem Dauermagneten
aufgebracht wird, voll auf das Kontaktstück zur Einwirkung kommen soll. Wenn die
Magnetkraft beispielsweise von einem Dauermagneten aufgebracht wird und das Kontaktstück
in seinen den Magnetpolen gegenüberliegenden Bereichen eine Größe hat, die wesentlich
unter der Größe der Magnetpole liegt, wird nicht der gesamte von den Magnetpolen
ausgehende Magnetfluß ausgenutzt, so daß der Druck, mit dem das Kontaktstück gegen
die zu schließenden Kontakte anliegt, unter Umständen nur gering sein kann.
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Wenn als Kontaktstück eine einfache Platte aus ferromagnetischem Material,
etwa Weicheisen, benutzt wird, richtet sich die Platte deraus aus, daß sie nicht
parallel mit ihrer Hauptfläche den Magnetpolen gegenüberliegt, sondern mit ihren
Schmalseiten, so daß ebenfalls nicht der gesamte von den Magnetpolen ausgehende
Magnetfluß ausgenutzt wird. Infolge der beschriebenen Ausrichtung der Platte liegt
sie demzufolge auch nicht flach an den Kontakten an.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetisch
steuerbaren Schalter zu schaffen, bei dem das Kontaktstück derart ausgestaltet ist,
daß einerseits eine flächige Kontaktanlage gegen die zu schließenden Kontakte und
andererseits eine Erhöhung des Kontaktdruckes gewährleistet ist, mit dem das bewegliche
Kontaktstück gegen die Kontakte anliegt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Schalter dadurch
gekennzeichnet, daß das Kontaktstück aus mehreren parallel nebeneinander liegenden,
stabförmigen Elementen aus ferromagnetischem Material zusammengesetzt ist und die
Form einer flachen Platte hat.
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Bei einem derartigen Kontaktstück ist wenn es z.BO frei beweglich
ist, gewährlelstet, daß es sich unter dem Einfluß
der Magnetkraft
stets senkrecht zu seiner Hauptebene verlagert, so daß einerseits eine flächige
Anlage gegen die Kontakte und andererseits eine Erhöhung des Kontaktdruckes gewährleistet
ist, da in Abhängigkeit von den gewählten Größenverhältnissen praktisch der gesamte
von den Magnetpolen beispielsweise eines Dauermagneten ausgehende Magnetfluß ausgenutzt
wird.
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Gleiches gilt auch für geführte oder schwenkbar gelagerte Kontaktstücke,
die ansonsten Drehmomentkräften ausgesetzt wären.
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Die stabförmigen Elemente, aus denen das Kontaktstück zusammengesetzt
ist, haben vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Kontaktstück Wirbelströme
und daraus resultierende Hafteffekte des Kontaktstückes weitgehend ausgeschaltet
sind.
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Um den Schalter auch als Uberlastschutzschalter wirksam werden zu
lassen, bestehen die stabförmigen Elemente vorzugsweise aus einem ferromagnetischen
Material mit hoher Koerzitivkraft und gegebenenfalls auch hoher magnetischer Remanenz,
um nach Abschaltung der zugeordneten Erregerwicklung die magnetische Polarisation
beizubehalten.
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Die stabförmigen Elemente sind vorzugsweise von einem flachen Träger
aus elektrisch gut leitendem Material umgeben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Fig. 1 und
2 erläutert. Es zeigt: Fig. 1 im Schnitt eine schematische Darstellung der Vorderansicht
des Schalters, und Fig. 2 eine schematische Darstellung der Seitenansicht des Schalters
gemäß Fig. 1.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind in dem Schaltergehäuse 7 des Schalters
im Abstand voneinander zwei Dauermagnete 1 in Form von Brückenmagneten angeordnet,
die sich mit den Flächen der ungleichnamigen Pole mit Abstand gegenüberliegen, so
daß ein ringförmiger, geschlossener Magnetfluß erzielt wird. In der Mitte zwischen
den Dauermagneten 1 ist ein hermetisch geschlossenes Schutzrohr 2 stationär befestigt,
das zwei Paare von elektrischen Kontakten 4 enthält, die an den seitlichen Enden
des Schutzrohres 2 gelegen und mit elektrischen Leitern 8 verbunden sind, die aus
dem Schutzrohr und dem Schaltergehäuse 7 herausgeführt sind. Jedes Kontaktpaar ist
einem der Dauermagnete benachbart. Zwischen den Kontaktpaaren befindet sich ein
frei bewegliches Kontaktstück 3 aus elektrisch leitendem und ferromagnetischen Material,
z.B. Weicheisen, und die Kontaktpaare 4 sowie das Kontaktstück 3 sind von einer
Erregerwicklung 5 umgeben, von der zwei elektrische Leiter 9 aus dem Schaltergehäuse
7 herausgeführt sind. Die Erregerwicklung 5 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig.
1 im Innern des Schutzrohres 2 angeordnet; sie kann aber auch außerhalb desselben
angeordnet sein und das Schutzrohr 2 einschließen.
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An Stelle von zwei Kontaktpaaren kann der Schalter auch nur ein einziges
Kontaktpaar enthalten. Die Kontakte sind flächig gestaltet, ebenso wie das Kontaktstück
3, das erfindungsgemäß aus mehreren parallel nebeneinander liegenden stabförmigen
Elementen aus ferromagnetischem Material zusammengesetzt ist und die Form einer
flachen Platte hat. Die stabförmigen Elemente sind von einem flachen Träger aus
elektrisch gut leitendem Material umgeben.
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Obwohl die Erfindung an Hand eines Schutzrohrschalters beschrieben
ist, eignet sich das erfindungsgemäß gestaltete Kontaktstück auch bei sonstigen
elektromagnetisch gesteuerten Schaltern, und zwar auch bei Schaltern mit nur einem
als Brückenmagneten ausgebildetem Dauermagnet.
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Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
besteht das Schutzrohr 2 aus einem Magnetismus und Elektrizität nicht leitendem
Material, zweckmäßig Kunststoff oder Glas, und ist z.B. mit einem Kunstharz in dem
Schaltergehäuse 7, das ebenfalls aus gepreßtem oder gespritztem Kunststoff bestehen
kann, befestigt. Wenn an den Kontakten 4 höhere Spannungen anliegen und sie von
stärkeren Strömen durchflossen werden, ist der Innenraum des Schutzrohres zweckmäßigenveise
mit einem Funkenlöschmittel 6 gefüllt, das beispielsweise aus Mineralöl, Schwefelhexafluorid
od.dgl. bestehen kann. Die Kontakte können federnd befestigt sein, um die Bildung
von Abreißfunken zu unterdrücken oder gering zu halten. Durch die federnde Anbringung
oder Lagerung der Kontakte 4 wird auch eine Schaltverzögerung erreicht, da die Kontakte
dem sich abhebenden beweglichen Kontaktstück 3 in geringem Umfang folgen können,
d.h. es wird eine gewisse Schwellwertgröße erreicht.
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Die Dauermagnete bestehen vorzugsweise aus einer Cobalt-Seltene Erdmetalle-Legierung,
beispielsweise einer Cobalt-Samarium-Legierung. Diese Legierungen enthalten als
Hauptbestandteil intermetallische Verbindungen vom Typ RCo52 worin R ein seltenes
Erdmetall ist. Diese Magnetstoffe sind etwa fünfmal stärker als die meisten Alnico-Legierungen
und etwa zweimal stärker als Platin-Cobalt-Magnetwserkstoffe. Sie zeichnen sich
durch ein hohes Energieprodukt (BH) aus, das im Bereich von 6 16-20.106 Gauss-Oerstedt
(Ferrite 3, Alnico 5, Pt-Co 06 Gauss Oerstedt) liegt, und zeigen auch eine gute
Hochtemperatur-Beständigkeit. Ihr Curie-Punkt liegt über demjenigen der Platin-Magnete.
Die Verwendung von Cobalt-Samarium-Magneten ermöglicht es, die Baugröße der Magnete
klein zu halten und den Schalter auch bei höheren Temperaturen zu betreiben, bei
denen die Magnetisierungsverluste anderer Magnetstoffe schon erheblich ins Gewicht
fallen.
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Die von den Kontakten 4 nach außen geführten Leiter 8 gehören für
jedes Kontaktpaar zu einem eigenen (nicht dargestellten) Stromkreis. Diese Stromkreise
können von Gleich- oder Wechselströmen
niedriger oder hoher Spannung
und Stromsträke durchflossen werden. Die Erregerwicklung 5 ist durch die aus dem
Schaltergehäuse 7 herausgeführten Leiter 9 in der Regel in einen separaten Stromkreis
(nicht dargestellt) geschaltet, kann aber für eine besondere Anwendung des Schalters
auch mit einem der Kontaktpaare 4 in Reihe geschaltet sein, wie noch beschrieben
wird.
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Wenn der Stromkreis der Erregerwicklung 5 geschlossen wird, so bewirkt
das Magnetfeld der Wicklung eine magnetische Polarisierung des frei beweglichen
Kontaktstückes 3. Dies hat zur Folge, daß das Kontaktstück 3 von dem Dauermagneten
1 angezogen wird, dessen Pole zu den Polen des magnetisierten Kontakstückes ungleichartig
sind. Wird beispielsweise das Kontaktstück 3 so polarisiert, daß sein Nordpol sich
in Fig. 1 am rechten Ende befindet, so wird das Kontaktstück 3 von dem oberen Dauermagneten
1 angezogen und überbrückt das obere Kontaktpaar 4. Um die Magnetisierung des Kontaktstückes
3 und damit den Schaltvorgang zu bewirkten, braucht die Erregerwicklung 5 nur von
einem kurzen Stromstoß durchflossen werden, wobei Spannung und Stromstärke verhältnismäßig
gering sein können. Wird der Stromfluß in der Erregerwicklung 5 umgekehrt, so wird
auch das Kontaktstück 3 magnetisch umgepolt; aus seinem Nordpol wird ein Südpol
und umgekehrt. Infolgedessen wird nun das Kontaktstück 3 von dem Dauermagneten 1,
der ihn bisher anzog, abgestoßen und von dem gegenüberliegenden Dauermagneten 1
angezogen, so daß er sich von dem bisher überbrückten Kontaktpaar 4 löst und zu
dem anderen Kontaktpaar 4 wandert, das dem unteren Dauermagneten 1 benachbart ist.
Damit wird der zum oberen Kontaktpaar 4 gehörige Stromkreis geöffnet und der zu
dem unteren Kontaktpaar 4 gehörige Stromkreis geschlossen.
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Andererseits eignet sich der Schalter auch für die Schaltung starker
Ströme mit Hilfe verhältnismäßig niedriger Steuerspannungen, da für die magnetische
Polarisierung des Kontaktstückes 3 nur schwache Ströme nötig sind.
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Eine besondere Anwendungsmöglichkeit des Schalters ist sein Einsatz
als Uberlastsicherung. Für die überlastsicherung eines Gleichstromkreises braucht
dieser an eines der Kontaktpaare 4 gelegt zu werden, das dann mit der Erregeralicklung
5 in Reihe geschaltet ist. Bei zunehmendem Stromfluß durch das Kontaktpaar steigt
auch der Stromfluß durch die Erregerwicklung, und durch geeignete Abstimmung von
Erregerwicklung und Feldstärke der Magnete kann man erreichen, daß bei einer bestimmten
Stärke des durch Kontakte und Wicklung fließenden Stromes das Kontaktstück 3 umgepolt
und von dem Magneten abgestoßen wird, so daß der Stromkreis an den Kontakten geöffnet
und gleichzeitig die Erregensicklung stromlos gemacht wird.
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Auch in diesem Fall können die Kontakte 4 vorzugsweise federnd gelagert
sein. Das Kontaktstück 3 besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Koerzitivkraft
und gegebenenfalls hoher Remanenz. Dadurch wird gewährleistet, daß nach Ausschalten
der Erregerwicklung 5 und damit Ausfallens des durch die Erregerwicklung erzeugten
Magnetfeldes das bewegliche Kontaktstück 3 seine magnetische Polarisierung beibehält
und damit in den Bereich des zweiten gegenüberliegenden Dauermagneten gelangen kann.
Wenn das bewegliche Kontaktstück 3 nur eine geringe Remanenz hätte, könnte unter
Umständen der Fall eintreten, daß nach Ausschalten der Erre£ensicklung das bewegliche
Kontaktstück 3 unter dem Einfluß des ersten Dauermagneten umgepolt wird und wieder
das erste Kontaktpaar überbrückt, das im Kreis der Erregerwicklung liegt.
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Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kontaktstückes 3 ist
gewährleistet, daß es sich unter dem Einfluß der Dauermagnete stets senkrecht zu
seiner Hauptebene verlagert, so daß praktisch der gesamte von den Nagnetpolen der
Dauermagnete ausgehende Magnetfluß auf das Kontaktstück zur Einwirkung kommen kann
und nicht seitlich davon wirksam ist, wodurch ein erhöhter Kontaktdruck und außerdem
eine flächige Anlage des Kontaktstückes gegen die Kontakte 4 gewährleistet ist.