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Elektromagnetisch steuerbares Relais Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch
steuerbares Relais mit zwei als Brückenmagneten ausgebildeten Dauermagneten, die
sich mit Abstand mit ihren ungleichnamigen Polen gegenüberliegen und zwischen denen
ein aus ferromagnetischem Material bestehender und durch eine Erregerwicklung beaufschlagbarer
Anker beweglich ist, und mit vier Kontakten, von denen jeder einem der Dauermagnetpole
zugeordnet ist, wobei in den durch die Dauermagnete bestimmten Endlagen des Ankers
eine elektrische Verbindung zwischen jeweils zwei Kontakten zur Erschließung eines
Stromkreises hergestellt ist.
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Ein in der DT-OS 2 304 775 beschriebenes Relais dieser Art ist als
bistabiles Relais ausgebildet, bei dem der Anker gleichzeitig das zur Verbindung
der Kontakte dienende Kontaktstück bildet, das in dem zwischen den Dauermagneten
gebildeten Luftspalt geradlinig quer zu seiner Langsachse beweglich ist, so daß
es in der Lage ist, jeweils die im Bereich eines der
Dauermagnete
liegende Kontakte zu verbinden bzw. zu überbrücken.
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Weitere bistabile, elektromagnetisch steuerbare Relais sind beispielsweise
in den US-PS'en 3 525 958, 3 259 810, 3 514 728 und in der GB-PS 1 279 316 beschrieben.
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Im Gegensatz dazu liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch
steuerbares Relais zu schaffen, bei dem das Kontaktstück in der Lage ist, mindestens
vier stabile, durch die Dauermagnete bestimmte Endlagen zur Erschließung von entsprechend
angeordneten Kontakten einzunehmen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Relais dadurch
gekennzeichnet, daß dem Anker mindestens eine zweite Erregerwicklung zugeordnet
ist, und daß die beiden Erregerwicklungen so angeordnet und schaltbar sind, daß
von jeder Erregerwicklung Teilbereiche des Ankers magnetisch umpolarisierbar sind.
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Wenn bei einer derartigen Anordnung die um den Anker mit Abstand herumgelegten
Erregerwicklungen beide in gleicher Richtung von Strom durchflossen werden, bewirkt
das von den Erregerwicklungen erzeugte Magnetfeld eine magnetische Polarisierung
des beweglichen Ankers in der Weise, daß er von dem einen Dauermagneten angezogen
und dem anderen Dauermagneten abgestoßen wird, wodurch zwei der entsprechend angeordneten
Kontakte überbrückt werden. Wii der Stromfluß in den beiden Erregerwicklungen umgekehrt,
so wird auch der Anker insgesamt magnetisch umgepolt, so daß er von dem Dauermagneten,
der ihn bisher anzog, abgestoßen und von dem gegenüberliegenden Dauermagnetem angezogen
wird, so daß er sich von dem bisher überbrückten Kontaktpaar löst und in seine zweite
Schaltstellung zum Überbrücken des anderen Kontaktpaares wandert.
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Um den Anker in weitere Schaltstellungen zu bewegen, werden die beiden
Erregerwicklungen derart beaufschlagt, daß die Stromflußrichtung
durch
die beiden Erregerwicklungen entgegengerichtet ist. Auf diese Weise werden Teilbereiche
des Ankers derart magnetisch umpolarisiert, daß der Anker eine Diagonalstellung
einnimmt, in der er die den diagonal gegenUberliegenden Polen zugeordneten Kontakte
zu überbrücken vermag, und zwar einmal beispielsweise die den Nordpolen der beiden
Dauermagnete zugeordneten Kontakte (dritte Schaltstellung) oder die den beiden Südpolen
der Dauermagnete zugeordneten Kontakte (vierte Schaltstellung).
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Gemäß weiterer Erfindung ist vorgesehen, daß der Anker an dem einen
Ende einer mittels Kugelgelenk verschwenkbar gelagerten Welle befestigt ist, an
deren anderem Ende ein aus elektrisch leitendem Material bestehendes Kontaktstück
angebracht ist, dem vier Kontakte, im wesentlichen der Anordnung der Dauermagnetpole
entsprechend, zugeordnet sind, wobei, ausgehend von dem durch das Kugelgelenk bestimmten
Schwenkpunkt der Welle der Anker an dem iängeren und das Kontaktstück an dem kürzeren
Hebelarm befestigt ist. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von dem Hebelarmverhältnis
die Kraft, mit der das Kontaktstück gegen die Kontakte zur Anlage kommt, erhöht
werden.
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Gemäß weiterer Erfindung ist vorgesehen, daß zu beiden Seiten der
Dauermagnete je eine weitere Erregerwicklung angeordnet ist, und daß sich im Bereich
jeder dieser beiden Erregerwicklungen ein aus ferromagnetischem Werkstoff bestehender
Körper mit jeweils einem weiteren Kontakt befindet. Durch Beaufschlagung dieser
zusätzlichen Erregerwicklungen besteht die Möglichkeit, den Anker seitlich in jeweils
eine der beiden Erregerwicklungen hineinzuziehen, so daß der Anker dann bei geeigneter
zusätzlicher Beaufschlagung der beiden ersten Erregerwicklungen weitere Schrägstellungen
einzunehmen vermag, in denen er eine Verbindung zwischen jeweils einem der weiteren
Kontakte und den den schräg gegenüberliegenden Dauermagnetpolen zugeordneten Kontakten
herzustellen vermag. Auf diese Weise werden zusätzlich vier weitere Schaltstellungen
des Ankers ermöglicht, so daß der Anker pcht verschiedene stabile Stellungen einzunehmen
vermag,
so daß ein sogenanntes oktostabiles Relais geschaffen ist.
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Der Anker besteht vorzugsweise aus einem Material mit geringer Koerzitivkraft,
z.B. Weicheisen, wenn die einzelnen Erregerwicklungen mit Gleichstrom beaufschlagt
werden sollen.
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Wenn die Erregerwicklungen mit Wechselstrom beaufschlagt werden sollen,
um eine entsprechende magnetische Umpolarisierung des Ankers zu bewirken, besteht
der Anker vorzugsweise aus einem Material mit hoher Koerzitivkraft, und die Erregerwicklungen
sind so geschaltet, daß der Anker bzw, das durch den Anker gebildete Kontaktstück
als eigener Impulsbegrenzer bzw. Impulsunterbrecher wirkt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprechen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Figuren 1 bis
3 erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Relais; Fig. 2 teilweise in perspektivischer Darstellung eine
Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Relais, und
Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Relais.
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Gemäß Fig. 1 sind in dem Relaisgehäuse 1 aus nichtmagnetischem und
elektrisch nichtleitendem Material zwei Dauermagnete 2 und 3 in Form von Brückenmagneten
angeordnet, die sich mit den Flächen der ungleichnamigen Pole mit Abstand gegenüberliegen,
so daß ein ringförmiger, geschlossener Magnetfluß erzielt wird.
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Zwischen den beiden Dauermagneten befindet sich ein frei beweglicher
Anker 4, der gleichzeitig als elektrisches KontaktstUck ausgebildet ist und aus
ferromagnetischem Material, z.B.
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verkupfertem Weicheisen besteht. Dieser Anker 4 ist mit Abstand von
zwei stationären Erregerwicklungen 5 und 6 umgeben,
die innerhalb
des von den Dauermagneten 2 und 3 begrenzten Raumes liegen und mittels nicht dargestellter
Anschlüsse an eine Gleich- oder Wechselstromquelle anschließbar sind. In dem Schaltergehäuse
1 befinden sich weiterhin vier Kontaktpaare 7, 7', 8, 8', 9, 9', 10, 10', wobei
die beiden Kontakte jedes Kontaktpaares jeweils einem Leitungskreis zugeordnet sind,
in den sie mittels nicht dargestellter Anschlüsse bzw. Leiter angeschlossen werden
können. Die Kontakte 7, 7' des ersten Kontaktpaares liegen sich in dem durch die
beiden Dauermagnete 2,3 bestimmten Rechteck diagonal gegenüber und werden von dem
Kontaktstück 4 miteinander zur Schließung eines Stromkreises verbunden, wenn dieses
Kontaktstück 4 die in Fig. 1 in vollen Linien dargestellte Position einnimmt. Die
beiden Kontakte 8, 8' des zweiten Kontaktpaares liegen sich ebenfalls diagonal gegenüber.
Die Kontakte 9, 9 des dritten Kontaktpaares befinden sich jeweils im Bereich eines
der beiden Pole des Dauermagneten 2 und die Kontakte 10, 10 befinden sich im Bereich
jeweils eines der Pole des zweiten Dauermagneten 3. Die Kontakte 99 9' und 10, 10
liegen innerhalb von Aussparungen der Pole der beiden Dauermagnete 2 und 3.
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Falls erwünscht, können die einzelnen Kontakte im Inneren eines nicht
dargestellten Schutzrohres angeordnet sein, das auch das Kontaktstück 4 aufnimmt.
Die Kontaktflächen des frei beweglichen Kontaktstückes 4 können vorzugsweise kugelförmig
ausgebildet sein und die Kontakte können federnd befestigt sein, um die Bildung
von Abreißfunken zu unterdrücken oder gering zu halten. Durch die federnde Anbringung
oder Lagerung der feststehenden Kontakte wird eine Schaltverzögerung erreicht, da
die Kontakte dem sich abhebenden beweglichen Kontaktstück 4 in geringem Umfang folgen
können. Es wird somit eine gewisse Schwellwertgröße erreicht.
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Die Dauermagnete bestehen vorzugsweise aus einer Kobalt-Seltene Erdmetalle-Legierung,
beispielsweise eine Kobalt-Samarium-Legierung. Diese Legierungen enthalten als Hauptbestandteil
intermetallische Verbindungen vom Typ RCo51 worin R ein
seltenes
Erdmetall ist. Diese Magnetstoffe sind etwa fünfmal stärker als die meisten Allnico-Legierungen
und etwa zweimal stärker als Platin-Kobalt-Magnetwerkstoffe. Die Verwendung von
Kobalt-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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Wenn die beiden Erregerwicklungen 5 und 6 an eine Gleichstromquelle
angeschlossen sind und der Stromkreis beider Erregerwicklungen derart geschlossen
wird, daß der Strom in beiden Erregerwicklungen in der gleichen Richtung fließt,
bewirkt das Magnetfeld der Erregerwicklungen 5 und 6 eine magnetische Polarisierung
des frei beweglichen Ankers 4. Das hat zur Folge, daß der Anker 4 von dem Dauermagneten
angezogen wird, dessen Pole zu den Polen des magnetisierten Kontaktstückes ungleichartig
sind. Wird beispielsweise der Anker 4 so polarisiert, daß sein Nordpol sich in Fig.
1 am rechten Ende befindet, so wird der Anker 4 von dem oberen Dauermagneten 2 angezogen
und überbrückt das Kontaktpaar 9, 9'. Um die Magnetisierung des Ankers 4 und damit
einen Schaltvorgang zu bewirken, brauchen die beiden Erregerwicklungen 5 und 6 nur
von einem kurzen Stromstoß durchflossen werden, wobei Spannung und Stromstärke verhältnismäßig
gering sein können. Wird der Stromfluß in den beiden Erregerwicklungen 5 und 6 umgekehrt,
so wird auch der Anker 4 magnetisch umgepolt, d.h. aus den Nordpolen werden Südpole
und umgekehrt. Infolgedessen wird der Anker 4 von dem Dauermagneten 2, der ihn bisher
anzog, abgestoßen und von dem gegenüberliegenden Dauermagneten 3 angezogen, so daß
er sich von dem bisher überbrückten Kontaktpaar 9, 9' löst und zu dem anderen Kontaktpaar
10, 102 wandert, das dem unteren Dauermagneten 1 benachbart ist. Damit wird der
zum oberen Kontaktpaar 9, 9' gehörige Stromkreis geöffnet und der zum unteren Kontaktpaar
10, 10' gehörige Stromkreis geschlossen. Die zuletzt beschriebene Position 4' des
Kontaktstückes 4 ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt. Da die Erregerwicklungen
die Dauermagnete nicht umgibt, werden die
Magnete von dem Kraftfeld
der Wicklungen nicht nachteilig beeinflußt, insbesondere nicht entmagnetisiert,
auch nicht bei sehr hoher Schalthäufigkeit, sondern bei jeder Erregung der Wicklungen
wird zusätzlich jeweils einer der Magnete von dem Kraftfeld der Wicklungen je nach
Stromflußrichtung magnetisiert.
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Um die den beiden Kontaktpaaren 7, 7' bzw. 8, 8' zugeordneten Schaltkreise
zu schließen, werden die beiden Erregerwicklungen 5 und 6 derart an eine Stromquelle
angeschlossen, daß die Stromflußrichtung durch die beiden Erregerwicklungen entgegengerichtet
ist. Auf diese Weise kann das bewegliche KontaktstUck 4 so magnetisch polarisiert
werden, daß das in Fig. 1 links liegende Kontaktstückende von dem Nordpol des Dauermagneten
2 angezogen wird, während das in Fig. 1 rechts liegende Kontaktstückende von dem
Nordpol des gegenüberliegenden Dauermagneten 3 angezogen wird, (wobei beide Kontaktstückenden
in entsprechender Weise von den Südpolen der beiden Dauermagnete abgestoßen werden)
so daß der zu dem Kontaktpaar 7, 7' gehörende Stromkreis geschlossen wird. Durch
Umkehrung der Stromflußrichtung durch die beiden Erregerwicklungen 5 und 6 in der
Weise, daß die Stromilußrichtungen durch die beiden Erregerwicklungen wieder entgegengerichtet
sind, kann das bewegliche Kontaktstück 4 in der Weise magnetisch umpolarisiert werden,
daß die beiden Kontaktstückenden nunmehr von den Südpolen der beiden Dauermagnete
2, 3 angezogen werden, was zur Schließung des die beiden Kontakte 8, 8' enthaltenden
Stromkreises führt.
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Die Pole der beiden Dauermagnete sind an ihren außenliegenden Seiten
vorzugsweise abgeschrägt, wobei der Abschrägungswinkel so gewählt ist, daß die entsprechenden
abgeschrägten Flächen im wesentlichen parallel zu dem Kontaktstück 4 liegen, wenn
dieses eine der beiden Diagonalstellungen einnimmt. Auf diese Weise wird der Abstand
zwischen dem beweglichen Kontaktstück und den wirksamen Polflächen der Dauermagnete
möglichst klein gehalten.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Relais entspricht die Anordnung der
Dauermagnete 2 und 3 und der Erregerwicklungen 5 und 6 der Anordnung gemäß Fig.
1. Bei dem Relais gemäß Fig. 2 befindet sich zwischen den beiden Dauermagneten ein
aus ferromagnetischem Material bestehendes Kontaktstück 11, das auf einer Welle
12 gelagert ist. Diese Welle 12 ist mittels eines nicht dargestellten Kugelgelenkes
gelagert derart, daß es einmal um die Achse der Welle 12 in die beiden Diagonalstellungen
geschwenkt werden kann, von denen in Fig. 2 die eine dargestellt ist, und daß es
zum anderen auch auf- und abgeschwenkt werden kann, um jeweils in den Bereich der
beiden Pole jeweils eines der Dauermagneten 2 bzw. 3 zu kommen. An dem hinteren
Ende der Welle 12 befindet sich ein durchgehendes, aus elektrisch leitendem Material
bestehendes Kontaktstück 13, das in einem Kontaktgehäuse 14 liegt, in dem vier Kontakte
15, 16, 17 und 18 untergebracht sind. Diese Kontakte 15 bis 18 sind mittels nicht
dargestellter Leiter an zugeordnete Stromkreise angeschlossen.
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Durch Beaufschlagung der beiden Erregerwicklungen 5 und 6 in der in
Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Weise können mit dem Schalter gemäß Fig. 2 folgende
Kontaktpaare überbrückt bzw. miteinander verbunden werden: Kontakte 15 - 18 (wie
in Fig. 2 dargestellt), Kontakte 15 - 16, Kontakte 16 - 17 und Kontakte 17 - 18.
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Das nicht dargestellte Kugelgelenk befindet sich vorzugsweise an einer
solchen Stelle, daß der durch den vorderen Wellenabschnitt bestimmte Hebelarm, an
dem das aus ferromagnetischem Material bestehende Kontaktstück 11 befestigt ist,
länger ist als der durch den hinteren Wellenabschnitt gebildete Hebelarm, an dem
das aus elektrisch leitendem Material bestehende Kontaktstück 13 befestigt ist,
wodurch die Kontaktanpreßkraft in Abhängigkeit von dem Hebelarmverhältnis erhöht
werden kann.
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Das Hebelarmverhältnis kann gemäß weiterer Erfindung auch in der Weise
ausgenutzt werden, daß der Anker zur Erhöhung der Kraft, mit der das Kontaktstück
gegen die Kontakte anliegt, länger ist als das Kontaktstück.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Relais sind die beiden Dauermagnete
2 und 3 und die Erregerwicklungen 5 und 6 im wesentlichen in der gleichen Weise
in dem Relaisgehäuse 1 untergebracht wie bei dem Relais gemäß Fig. 1. Das Relais
gemäß Fig. 3 enthält jedoch noch zwei weitere Erregerwicklungen 19 und 20, die zu
beiden Seiten der Dauermagnete 2 und 3 angeordnet sind. Im Bereich der Achse jeder
der beiden Erregerwicklungen 19 und 20 befindet sich ein Körper 21 bzw. 22 aus ferromagnetischem
Material.
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Zwischen den beiden Dauermagneten 2 und 3 ist ein aus elektrisch leitendem,
ferromagnetischem Material, z.B. verkupfertem Weicheisen bestehender Anker 4 beweglich,
und im Bereich jedes Poles der Dauermagneten 2 und 3 befindet sich jeweils ein Kontakt
23, 24, 25 bzw. 26.
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Durch geeignete Beaufschlagung der beiden Erregerwicklungen 5 und
6 in der an Hand von Fig. 1 beschriebenen Weise können die folgenden Kontaktpaare
überbrückt bzw. miteinander verbunden werden: Kontakte 23, 24, Kontakte 23, 26 (wie
in Fig. 3 in vollen Linien dargestellt), Kontakte 25, 26 und Kontakte 25, 24.
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Durch geeignete Beaufschlagung der beiden zusätzlichen Erregerwicklungen
19 und 20 besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Anker 4 seitlich in jeweils eine
der beiden Erregerwicklungen 19 bzw. 20 hineinzuziehen, so daß der Anker bei geeigneter
Beaufschlagung der Erregerwicklungen 5 und 6 die in Fig. 3 strichpunktiert dargestellte
Lage 4" einzunehmen vermag, in der er eine Verbindung zwischen einem weiteren im
Bereich des Körpers 21 angeordneten Kontaktes 27 und dem Kontakt 24 herstellen kann.
Die Anordnung der einzelnen Kontakte und die Länge des Kontaktstückes 4 müssen in
entsprechender Weise aufeinander abgestimmt sein, so daß stets die gewünschte Verbindung
zwischen den einzelnen Kontakten hergestellt werden kann. Durch geeignete Beaufschlagung
der Erregerwicklungen läßt sich auch eine Verbindung zwischen den
beiden
Kontakten 27 und 26 erreichen.
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Im Bereich des zweiten Körpers 22 befindet sich ein weiterer Kontakt
28, der in Abhängigkeit von der Beaufschlagung der einzelnen Erregerwicklungen und
der sich dementsprechend einstellenden magnetischen Polarisierung des Ankers 4 mit
jeweils einem der beiden Kontakte 23 bzw. 25 verbinden läßt.
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Im Bereich der beiden Körper 21 und 22 befinden sich im übrigen Begrenzungswände
29 und 30, die eine genaue Führung des Kontaktstückes in die einzelnen Ankerstellungen
gewährleisten, Während also bei den Relais gemäß den Fig. 1 und 2 die Anker 4 und
11 vier stabile Stellungen einzunehmen vermögen, so daß in sogenanntes quadrostabiles
Relais geschaffen ist, kann der Anker 4 bei dem Relais gemäß Fig. 3 acht verschiedene
stabile Stellungen einnehmen, so daß ein sogenanntes oktostabiles Relais geschaffen
ist.
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Wenn bei dem Relais gemäß Fig. 3 der Anker 4 aus der die Kontakte
24, 27 verbindenden und strichpunktiert dargestellten Stellung 4" beispielsweise
in eine die beiden Kontakte 23 und 24 verbindende Stellung bewegt werden soll, wird
die Erregerwicklung 29 stromlos gemacht und die beiden Erregerwicklungen 5 und 6
werden in gleicher Stromflußrichtung beaufschlagt, wodurch der Anker 4 aus seiner
exzentrischen Stellung wieder in die Mittelstellung zurückkehrt und die beiden Kontakte
23 und 24 verbindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die
Möglichkeit, die Erregerspulen derart in Rehie mit den jeweils zu überbrückenden
Kontakten zu legen, daß bei größer werdendem Stromfluß durch den von dem das Kontaktstück
bildenden Anker geschlossenen Stromkreis auch die Anpreßkraft des Kontaktstückes
gegen die jeweiligen Kontakte erhöht wird.
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Im bisherigen Verlauf der Beschreibung der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten
Relais ist davon ausgegangen worden, daß
die einzelnen Erregerwicklungen
mit Gleichstrom beaufschlagt werden. In diesem Fall besteht der Anker vorzugsweise
aus einem Material mit geringer Koerzitivkraft, z.B. Weicheisen.
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Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Erregerwicklungen mit
Wechselstrom zu beaufschlagen, um eine entsprechende magnetische Umpolarisierung
des Ankers zu bewirken, so daß er die verschiedenen Schaltstellungen einzunehmen
vermag.
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Für diesen Fall besteht der Anker vorzugsweise aus einem Material
mit hoher Koerzitivkraft und die Erregerwicklungen sind so geschaltet, daß das Kontaktstück
als eigener Impulsbegrenzer bzw. -unterbrecher wirkt, so daß für jeden magnetischen
Umpolarisierungsprozeß des Ankers bzw. der einzelnen Abschnitte des Ankers nur jeweils
eine Halbwelle des Wechselstromes wirksam wird.
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Der Anker 4 bzw. 11 ist vorzugsweise in der Weise laminiert, daß er
aus mehreren parallel nebeneinanderliegenden, stabförmigen Elementen aus ferromagnetischen
Elementen zusammengesetzt ist und die Form einer flachen Platte hat. Bei einem derartigen
Anker ist, wenn er z.B. frei beweglich ist, gewährleistet, daß er 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 Abhangigkeit 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 Anker, die
ansonsten Drehmomentkräften ausgesetzt wären.
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Die stabförmigen Elemente, aus denen der Anker zusammengesetzt ist,
haben vorzugsweise einen kteisrunden Querschnitt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Anker Wirbelströme und
daraus resultierende Hafteffekte des Ankers weit gehend ausgeschsltet sind0