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Elektromagnetisches Relais für Impulsbetrieb
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Relais, dessen
Erregerspule mit Stromimpulsen betreibbar ist Um ein Relais zum Ansprechen zu bringen,
benötigt man bekanntlich eine Erregung e, welche nach der Beziehung 0=1 On von der
Stromstärke 1 und der Windungszahl n abhängig ist Die erforderliche Erregung kann
also mit kleiner Stromstärke und großer Windungszahl ebenso erreicht werden wie
mit großer Stromstärke und kleiner Windungszabl. Diese Werte sind jedoch nicht frei
wählbar, vielmehr muß auch die in der Spule verbrauchte Leistung in Betracht gezogen
werden, die eine Erwärmung der Spule bewirkt. Da die Leistung quadratisch von der
Stromstärke abhängt, darf diese nicht zu groß werden; andererseits- benötigt eine
große Windungszahl ein großes Wickelvolumen und beeinfluß damit die Baugröße des
Relais.
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Bei Dauererregung einer Spule stellt sich eine Übertemperatur - R
0 D T ein, wobei RT der Wärmewiderstand der Spule und P die Leistung ist0 Aus der
Beziehung P = R O I2 = R . o2 = AR o n2
ergibt sich unter Berücksichtigung
der höchstzulässigen Übertemperatur der Spule mit D 2 RT A ein höchstzulässiger
Wert für AR. Der Wert A = R n2 ist also ein Maß für die Wicklungsdimensionierung.
Ein großer Ag-Wert bedeutet eine starke Spulenerwärmung, ein kleiner AR-Wert ein
großes Wicklungsvolumen.
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Vielfach werden Relais jedoch nur kurzzeitig erregt und befinden sich
danach jeweils wieder eine längere Zeit im Ruhezustand. Insbesondere ist dies der
Fall bei bistabilen Relais, welche nach der Erregung entweder durch mechanische
Mittel oder durch dauermagnetische Vorspannung in der jeweiligen Lage gehalten werden.
Bisher werden jedoch Relais allgemein in ihrer Wicklung für Dauererregung ausgelegt,
was sich dann, wenn nur eine impulsweise Erregung in Betracht kommt, in einem unnötig
großen Wickelvolumen auswirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, bei Impulsrelais den Wickelraum
besser auszunutzen bzw. ihn möglichst klein zu halten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das durch den
Drahtquerschnitt und die Windungszahl bestimmte Wicklungsvolumen der Erregerspule
gegenüber der bei Dauererregung der Spule aufgrund der höchstzulässigen Erwärmung
bestimmten Größe entsprechend einem für ein zulässiges Impuls-Pausen-Verhältnis
der Erregung festgelegten Wert verkleinert ist, und zwar derart, daß während der
Erregungsimpulse jeweils eine festgelegte
obere Temperaturgrenze
der Spule nicht überschritten wird und daß während der Impulspausen jeweils eine
Abkühlung der Spule auf eine festgelegte untere Temperaturgrenze erfolgt0 Die Erfindung
macht sich also die Erkenntnis zunutze, daß bei lediglich impulsweiser Erregung
eines Relais die bei Dauererregung zu erwartende Übertemperatur überhaupt nicht
erreicht wird, so daß auch die Spule nicht für diese Dauererregung ausgelegt zu
werden braucht Die Dimensionierung der Wicklung im einzelnen wird dabei in Abhängigkeit
vom zulässigen ImpulsPausenVerhältnis und von den Zeitkonw stanten der Spule vorgenommen0
Die hierfür in Betracht kommenden physikalischen Beziehungen sind beispielsweise
aus dem Buch WSwitching Relais Design2' von Peek und Wagar, Princeton, 1955, Seite
446 bis 448, zu entnehmen0 Um bei dem erfindungsgemäßen Relais einen Dauerbetrieb
und damit eine Überlastung der Spule zu verhindern, kann beispielsweise eine Zusatz
schaltung vorgesehen oder im Gehäuse miteingebaut sein, welche eine Überschreitung
der zulässigen Impulslänge bzw0 des Impuls-Pausen-Verhältnisses verhindert0 Es ist
aber auch möglich, im Bereich der Spule einen Kaltleiter vorzusehen, der mit der
Spulenwicklung in Serie geschaltet ist0 Dieser Kaltleiter wird bei Überschreitung
der zulässigen Höchsttemperatur hochohmig und verhindert eine weitere Erregung,
bis die Spule genügend abgekühlt ist0 Besonders zweckmäßig ist die Erfindung anwendbar
bei einem polarisierten Relais, bei dem ein in Axialrichtung verschiebbar gelagerter
Hubanker die Spule rahmenförmig umgibt und mit den Polenden eines in der Spule angeordneten
Eisenkerns je einen Arbeitsluftspalt bildet, wobei zwischen Spulenwicklung und Anker
mindestens ein in Radialrichtung der Spule gepolter Dauermagnet angeordnet ist.
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Hierbei läßt sich der durch die Verkleinerung des Wicklungsvolumens
gewonnene Raum für die Anordnung von Dauermagneten nutzen, so daß der rahmenförmige
Hubanker in seinen Abmessungen ebenfalls gering gehalten werden kann.
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Die Dauermagnete, die zweckmäßigerweise symmetrisch einander gegenüberliegend
angeordnet sind, können sich dabei jeweils über die gesamte Axiallänge der Spule
erstrecken.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung mit Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 den Temperaturverlauf einer Relaisspule bei Dauererregung,
Fig. 2 den Temperaturverlauf einer Relaisspule in Abhängigkeit von einer impulsweisen
Erregung, Fig. 3 und 4 ein polarisiertes Hubankerrelais in zwei Schnittansichten.
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In dem Diagramm von Fig. 1 ist die Übertemperatur n einer Relais spule
in Abhängigkeit von der Zeit bei Dauererregung aufgetragen. Beim Anlegen einer bestimmten
Leistung nimmt diese Übertemperatur Y nach einer Exponentialfunktion auf einen Endwert
A<E zu: 3 t ## = RT P (1 - e'T) und 3 - RT wobei RT der Wärmewiderstand, P die
Leistung und T die Wärmezeitkonstante der Spule sind.
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Wird die Erregung abgeschaltet, so kühlt sich die Spule wieder ab,
wobei die Übertemperatur tYebenfalls nach einer Exponentialfunktion-abnimmt. Bei
stationärem Impulsbetrieb wechseln Aufheiz- und Abkühlphasen einander ab. Den hierbei
auftretenden Verlauf der Übertemperatur zeigt schematisch Fig. 2. Dabei ist der
Verlauf des
Erregerstromes I und der Verlauf der Übertemperatur
ad übereinander aufgetragen. Der Erregerstrom liegt jeweils für die Impulsdauer
a an und wird danach jeweils für die Pausendauer b abgeschaltet0 Während des Zeitintervalls
a steigt jeweils die Ubertemperatur SZan, und zwar bis zum Wert ##max. Die Impulspause
b muß solange dauern, bis die Übertemperatur auf den Wert min gefallen ist.
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Da ##max die maximal zulässige Übertemperatur der Spule ist, darf
also die Impulszeit a nie länger sein als die Zeit, die bei der angelegten Leistung
einen Temperaturanstieg von in bis ##max bewirkte Außerdem muß das Verhältnis der
Pausendauer b zur Impulsdauer a so gewählt werden, daß während der Pause auf jeden
Fall ein Temperaturabfall bis ##min gewährleistet ist Vereinfacht kann man mit dem
linearen Teil der Exponentialfunktionen rechnen, wenn die folgenden Bedingungen
erfüllt sind:
Dann ist:
Daraus ergibt sich max = RT o P Zur Vereinfachung ist dabei auch angenommen, daß
die Wärmezeitkonstante T für den Temperaturanstieg und für den Temperaturabfall
jeweils gleicn ist.
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Üblicherweise wird die Spule für eine Dauerleistung PD ausgelegt;
das ist diejenige Leistung, bei der im Dauerbetrieb die Spulenübertemperatur nur
bis zum maximal zulässigen Wert ##max ansteigt. Für den Impulsbetrieb kann die Spule
für eine höhere Leistung Pi ausgelegt werden.
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Falls diese Leistung Pi dauernd anläge, würde die Übertemperatur auf
den nicht zulässigen Wert ##E ansteigen.
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Durch entsprechende Bemessung des Impulspausen-Verhälta nisses γ
= b wird erreicht, daß sich dieÜbertemperatur maximal in dem Bereich zwischen ##min
und ##max bewegt.
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Für die Dimensionierung der Spule gilt: RT PD = RT P.
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PD Pi Das bedeutet: Benötigt ein Relais zum Ansprechen die Leistung
P. und wird diese Leistung im Mittel nur das t-fache der Zeit angelegt, so braucht
die Spule nur für die Leistung Pi .γ ausgelegt zu werden. Der obengenannte
AR-Wert 1 der Spule kann dann das γ fache gegenüber dem Wert für Dauerbetrieb
betragen.
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AR.
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AR = wobei ARi dem Wert für die dauernd angelegte Leistung Pi entspricht.
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Die oben ausgeführte Rechnung mit dem linearen Teil der Exponentialfunktion
kann jedoch nicht in allen Fällen angewendet werden. Im allgemeinen gilt aber
Dafür genügt es, für den Temperaturanstieg mit dem linearen Teil
der Exponentialfunktion und für den Temperaturabfall mit dem expotentiellen Teil
zu rechnen. Außerdem sind im allgemeinen die Zeitkonstanten T1 für den Temperaturanstieg
und T2 für den Temperaturabfall nicht gleich. Dann gilt
Die Spule kann also in diesem Fall nach einer angenommenen Dauerleistung PD bemessen
werden, die sich zur tatsächlich angelegten Impulsleistung nach folgender Beziehung
verhält:
In diesem Fall müssen also die Impulszeit und die Pausenzeit zur Dimensionierung
der Spule bekannt sein.
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Die Aufheiz- und Abkühlzeitkonstanten T1 und T2 sind unterschiedlich,
je nachdem, ob konstante Leistung, konstanter Strom oder konstante Spannung angelegt
werden.
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Die Zusammenhänge sind jedoch bekannt bzw. die entsprechenden Konstanten
können im Einzelfall ermittelt werden.
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Entsprechende Formeln sind auch aus dem Buch "Switching Relay Designii
von Peek und Wagar, Princeton, 1955, Seite 446, zu entnehmen0 In den Fig0 3 und
4 ist ein polarisiertes Relais dargestellt, welches insbesondere dann vorteilhaft
ausführbar ist, wenn entsprechend den obigen Darlegungen ein kleiner Wickelraum
für die Spule genügt. Das Relais besitzt einen Spulenkörper 1, in dessen Axialöffnung
ein Eisenkern 2
eingepreßt ist. Er trägt eine Wicklung 3, die im
vorliegenden Beispiel nur sehr wenig Raum einnimmt. Damit bleibt zwischen den Spulenflanschen
1a und 1b Platz für zwei Dauermagnete 4 und 5, die einander gegenüberliegend in
Radialrichtung über der Spulenwicklung angeordnet sind.
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Der Spulenkörper 1 ist außerdem in einem nicht weiter dargestellten
Gehäuse auf geeignete Weise befestigt.
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Ein rahmenförmiger Anker 6 umgibt den Spulenkörper 1. Er bildet jeweils
mit den Polflächen 2a und 2b des Kerns 2 einen Arbeitsluftspalt 7 bzw. 8, in denen
sich in bekannter Weise Erregerfluß und Permanentmagnetfluß überlagern. Auf diese
Weise werden zwei stabile Lagen des Ankers relativ zum Kern geschaffen. Bei der
Darstellung nach Fig. 4 ist der Anker in Mittelstellung gezeichnet.
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Der Anker 6 ist mit einem Schieber 9 verbunden, der in dem nicht dargestellten
Gehause verschiebbar gelagert ist und Kontaktbrücken 10 trägt, welche mit Kontaktfedern
11 zusammenwirken. Diese Kontaktfedern 11 sind in üblicher Weise in einen Grundkörper
12 verankert und mit Anschlußstiften 13 versehen.
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Die geringe Wickelhöhe der Spulenwicklung 3 ermöglicht die Anordnung
der Dauermagnete 4 und 5 über der Spule.
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Damit kann der Dauermagnetfluß im wesentlichen auf der ganzen Länge
des Spulenkerns 2 in diesen eintreten. Die Anordnung ist gut an Magnete mit hoher
Koerzitivfeldstärke und mittlerer Sättigungsinduktion anzupassen und gibt eine gute
Ausnutzung des Volumens innerhalb des Ankers. Durch die große lußübertrittsfläche
zwischen den Dauermagneten und dem Anker werden die unerwünschten Querkräfte verkleinert,
die bei unsymmetrischen Magneten auftreten.
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Ein weiterer Vorteil der Anordnung nach den Fig. 3 und 4 besteht darin,
daß nur ein bewegliches Teil, nämlich der Schieber 9, gelagert werden muß. Dieser
Schieber trägt seinerseits den Anker 6 und die Kontaktbrücken 10.
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8 Patentansprüche 4 Figuren