DE3201136A1 - Elektromagnetisches hubankerrelais - Google Patents

Description

• Elektromagnetisches Hubankerrelais
• Das Hauptpatent (Aktenzeichen P 31 31 762.6) betrifft ein elektromagnetisches Hubankerrelais mit einer mindestens eine Wicklung aufweisenden Spule, einem irnerhalb der Spule angeordneten Kern sowie einem außerhalb der Spule angeordneten Joch, wobei der Kern und das Joch relativ zueinander in Axialrichtung der Spule bewegbar sind und der bewegliche Teil mit mindestens einem beweglichen Kontaktelement gekoppelt ist, wobei das mindestens dreischenkelige Joch sich mit einem Mittelteil neben der Spule erstreckt und an beiden Stirnseiten der Spule mit zwei Polschenkeln jeweils einem Arbeitsluftspalt mit dem Kern bildet, wobei weiterhin im Spulenkörper mindestens eine Magnetkammer mit einem Dauermagneten vorgesehen ist, dessen Polarisierung zwischen dem Kern und dem Joch gerichtet ist und wobei neben der Spule ein Kontaktsatz mit parallel zur Spulenachse bewegbaren Kontaktelementen angeordnet ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Relais nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß ein monostabiles Schaltverhalten mit hoher Empfindlichkeit erreicht werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kern an einem Ende zumindest einen in Radialrichtung vor dem Wicklungsende verlaufenden Querschenkel besitzt, welcher im Vergleich zum anderen Kernende eine vergrößerte Polfläche gegenüber dem zugehörigen Pol schenkel des Joches sowie einen zusätzlichen Nebenluftspalt mit dem Mittelteil des Joches bildet.
• Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kerns wird über dessen Querschenkel ein magnetischer Nebenschluß zwischen Kern und Joch neben der einen Polfläche geschaffen. Der magnetische Widerstand für den Steuerfluß wird dadurch bei der Ankerbetätigung von der Ruhelage bis zur Arbeitslage stetig kleiner. Damit wird der Steuerfluß in der Arbeitslage des Ankers bei gleichbleibender Erregung größer bzw. die notwendige Ankerkraft wird mit geringerer Erregung als ohne diesen Nebenschluß erreicht, d.h. das System wird empfindlicher. Der magnetische Widerstand für den Dauermagnetfluß ist in beiden Schaltstellungen gleich; soweit über den Nebenschluß ein Teil des Dauerflusses unwirksam wird, läßt sich dies ohne weiteres durch eine etwas stärkere Aufmagnetisierung des Dauermagneten bzw. durch Verwendung eines etwas größeren Dauermagneten ausgleichen.
• Zweckmäßigerweise besitzt der Kern mit dem Querschenkel eine T-förmige Gestalt, die aus einem ebenen Blechteil ausgeschnitten sein kann. Außerdem ist es zweckmäßig, daß im Spulenkörper im Bereich des Querschenkels des Kerns zumindest eine Magnetkammer vorgesehen ist, in welcher jeweils ein in Radialrichtung der Spule und senkrecht zum Quer schenkel des Kerns polarisierter Dauermagnet angeordnet ist. Ist der Kern ein flaches Blech, so können dabei zweckmäßigerweise zwei Dauermagnete, je einer auf jeder Seite, mit ihrer Polarisierungsrichtung senkrecht auf der Kernebene stehen. Dabei ist es auch zweckmäßig, daß das Joch im Bereich des Querschenkels des Kerns jeweils den Spulenflansch umfassende Seitenschenkel besitzt, wobei jeweils zwischen einem Seitenschenkel und dem Querschenkel des Kerns ein Dauermagnet angeordnet ist, während der magnetische Nebenschluß zwischen dem Kern und dem Mittelteil des Joches besteht.
• Der magnetische Nebenschluß zwischen Kern und Joch kann dabei so ausgestaltet sein, daß der Querschenkel des Kerns einen Fortsatz besitzt, welcher in einem Schlitz des Jochmittelteils eingreift. Der Schlitz muß dabei so bemessen sein, daß die Axialbeweglichkeit zwischen Joch und Kern erhalten bleibt. Zweckmäßigerweise greift der Fortsatz des Kerns durch den Schlitz des Joches hindurch und besitzt noch eine Verlängerung auf der AuBenseite des Joches, wodurch sich eine Kräftekompensation der im magnetischen Nebenschluß auftretenden Anziehungskräfte ergibt. Damit werden werden unerwünschte Querkräfte beim Schalten des Ankers vermieden.
• Als Anker dient zweckmäßigerweise das Joch, welches in Axialrichtung der Spule bewegbar und mit einem beweglichen Kontaktschieber verbunden ist. In diesem Fall kann der durch den Schlitz im Joch hindurchgreifende Fortsatz des Kerns an einer Auflagefläche eines das Joch umgebenden Grundkörpers befestigt sein und zusammen mit Fortsätzen an den Spulenflanschen zur Befestigung des Spulenkörpers im Grundkörper dienen.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erlautert. Es zeigen Fig. 1 bis 4 eine erfindungsgemäße Relaiskonstruktion in verschiedenen Schnittansichten, Fig. 5 und 6 zwei verschiedene Ausführungsformen des magnetischen Nebenluftspaltes zwischen Kern und Joch, Fig. 7 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Relais, Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der magnetischen Kennlinien des erfindungsgemäßen Relais.
• Das in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Relais besitzt in einem Gehäuse 1 einen Spulenkörper 2, der zwischen den Flanschen 3 und 4 eine Wicklung 5 trägt. Mit den Enden 3a und 3b, sowie 4a liegt der Spulenkörper auf Absätzen 1a, 1b und 1c des Grundkörpers auf.
• Im Inneren des Spulenkörpers 5 ist ein Kern 6 durch Preßsitz befestigt. Er ist aus einem fiachen Blech gefertigt und besitzt an einem Ende einen Querschenkel 6a, der ihm eine T-förmige Gestalt gibt. An beiden Enden bildet dieser Kern 6 jeweils Polflächen 6b und 6c, wobei die Polfläche 6c an den Querschenkel 6a ausgebildet ist und dadurch wesentlich größer ist als die entgegengesetzte Polfläche 6b.
• Die Polflächen 6b und 6c wirken mit einem Joch 7 zusammen, welches die Spule rahmenförmig umgibt. Es erstreckt sich mit seinem Mittelabschnitt 7a parallel zur Spulenachse und bildet mit jeweils senkrecht zur Spulenachse verlaufenden Polschenkeln 7b und 7c jeweils Arbeitsluftspalte gegenüber den Kernpolflächen 6b und 6c. Das Joch 7 ist in Axialrichtung der Spule beweglich gelagert und dient somit als Anker des Systems.
• Im Spulenflansch 4 sind jeweils Magnetkammern 8 und 9 eingeformt, in welchen Dauermagnete 10 und 11 jeweils auf den Flachseiten des Kernquerschenkels 6a senkrecht stehend angeordnet sind. Sie sind mit gleichnamigen Polen beide an den Kern angekoppelt, während die entgegengesetzten Pole jeweils dem Joch zugewandt sind. Am Joch sind zu diesem Zweck jeweils seitlich die Spule übergreifende Flußleitbleche 7d und 7e angeformt. Auf diese Weise wird ein polarisiertes System erhalten, welches aufgrund der unterschiedlichen Polflächen monostabil ist. Diese Monostabilität wird noch unterstützt durch eine Trennfolie 12, welche der Polfläche 6b gegenüberliegend am Jochpolschenkel 7b angeordnet ist.
• Zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Systems bildet der Kernquerschenkel 6a über einen seitlichen Fortsatz 6d einen zusätzlichen Nebenluftspalt gegenüber dem Jochmittelteil 7a. Dieser Fortsatz 6d greift durch eine schlitzförmige Ausnehmung 7f des Jochmittelteils 7a hindurch und liegt mit dem freien Ende auf einer Auflagefläche 1d des Grundkörpers auf, wodurch der Spulenkörper zusätzlich abgestützt wird. Die schlitzförmige Ausnehmung 7f ist so groß bemessen, daß eine gegenseitige Verschiebung des Kernfortsatzes 6d gegenüber dem Joch 7 bei der Schaltbewegung möglich ist. Der magnetische Widerstand dieses Nebenschlusses bleibt jedoch bei der Schaltbewegung stets im wesentlich gleich.
• Das als Anker dienende Joch ist mit einem Schieber 13 gekoppelt, in welchem bewegliche Kontaktbrücken 14 gelagert sind. Diese sind durch Andruckfedern 15 jeweils gegen feststehende, im Grundkörper 1 verankerte Kontaktelemente 16 vorgespannt. Bei Erregung des Relais wird das als Anker dienende Joch 7 in die Arbeitsstellung verschoben, wodurch die Kontaktbrücken 14 durch den Schieber freigegeben und durch die Andruckfedern im Kontakt mit den feststehenden Kontaktelementen 16 gebracht werden. ueber eine zusätzliche Taste 17 können die Kontakte auch von Hand betätigt werden.
• Wie bereits erwähnt, liegt der Spulenkörper an drei Stellen mit den Flanschenden 3a, 3b sowie 4a und an der vierten Stelle über dem Kernfortsatz 6d am Grundkörper auf.
• Er kann im Grundkörper auf übliche Weise durch Kleben, Verformung oder auf andere Weise befestigt sein. Das Gehäuse wird durch einen über den Grundkörper 1 gestülpten Deckel 18 geschlossen, der ebenfalls über entsprechende Andruckelemente zur Fixierung des Spulenkörpers verwendet werden kann.
• In den Fig. 5 und 6 ist der magnetische Nebenschluß zwischen dem Kernfortsatz 6d und dem Jochmittelteil 7a in zwei Ausführungsformen dargestellt. Da der Kernfortsatz 6d in den Schlitz 7f des Joches eintaucht, entstehen Kräfte zwischen den beiden Teilen, die als Kraftlinien F mit Pfeilen dargestellt sind. Reicht der Kernfortsatz 6d' entsprechend Fig. 5 nur teilweise in den Schlitz 7f, so entsteht eine ungleiche Kräfteverteilung zwischen den entgegengesetzt auf den Kernfortsatz 6d' einwirkenden Kräften F1 und F2. Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist demnach F1 > F2.
• Durch die Anordnung nach Fig. 6, die auch der Anordnung nach den Fig. 1 bis 4 entspricht, wird jedoch eine Kräftekompensation in der Richtung senkrecht zum einstreuenden Fluß erreicht. Da der Fortsatz 6d durch den Schlitz 7f hindurchgreift, entsteht eine weitgehend ausgeglichene Kräfteverteilung, es ist dann F1 = F2.
• Die Wirkung des erfindungsgemäßen Nebenschlusses zwischen Joch und Kern wird anhand der Fig. 7 und 8 noch einmal verdeutlicht. Fig. 7 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Relaismagnetsystems. Dabei bedeutet @ g die die Erregung, die durch die Spule erzeugt wird, während D den durch die Dauermagneten erzeugten Dauerfluß bezeichnet.
• Die Arbeitsluftspalte L1 und L2 besitzen jeweils magnetische Widerstände, die mit RL1 und RL2 bezeichnet sind.
• Sie ändern sich je nach Schaltlage des Relais. Parallel zum Arbeitsluftspalt L1 ist außerdem der magnetische Nebenschluß mit dem magnetischen Widerstand RN angeordnet.
• Für den Steuerfluß, der aus der Erregung 3 resultiert, sind die beiden Arbeitsluftspaltwiderstände P1 und RL2 in Reihe geschaltet. Bei jeder Ankerstellung bleibt somit die Summe dieser Arbeitsluftspaltwiderstände gleich. Solange kein Nebenschluß vcrhanden ist, ist somit auch der magnetische Gesamtwiderstand für den Erregerfluß in jeder Schaltstellung gleich: R - R - const.
• ges = L1 + RL2 = Durch den magnetischen Nebenschlußwiderstand RN, der parallel zum Arbeitsluftspaltwiderstand RL1 angeordnet ist, verkleinert sich der magnetische Gesamtwiderstand bei der Ankerbetätigung von der einen Endlage zur anderen stetig. Denn nun ist der Gesamtwiderstand In der Ruhelage ist RL1 = 0, dann wird RgeS = RL2maX In der Arbeitslage des Ankers wird RL2 = O. In diesem Fall ist jedoch der Gesamtwiderstand nicht gleich dem Maximalwert von RL1, sondern kleiner nach der Beziehung Das bedeutet, daß der Gesamtwiderstand für den Steuerfluß in der Arbeitslage des Relais geringer ist, so daß die Ankerkraft in dieser Arbeitslage bei gleicher Erregung und gleichem Dauermagnetfluß in den Arbeitsluftspalten größer wird. Damit können höhere Federkräfte bei gleicher Erregung überwunden werden; das Relais ist also empfindlicher.
• Fig. 8 zeigt den beschriebenen Effekt anhand einer Kraft-Weg-Kurve des monostabilen Magnetsystems.- Über dem Ankerweg s, der sich von der Ruheseite R bis zur Arbeitsseite A des Ankers erstreckt, sind die Kräfte FAA aufgetragen, die auf den Anker einwirken. Zwischen der Ruhe seite R und der Arbeitsseite A macht der Anker den Hub h, der dem jeweiligen Arbeitsluftspalt des Relais abzüglich der Dicke a der Trennfolie auf der Arbeitsseite des Ankers entspricht.
• Mit der Kurve f1 ist die Kennlinie des Kontaktsatzes bezeichnet, der in der Arbeitslage des Ankers geschaltet werden soll. Um das Relais zum Ansprechen zu bringen, muß also die Kraft dieses Kontaktsatzes durch die Anker- kraft überwunden werden. Die Kurve f2 bezeichnet die Magnetsystemkennlinie ohne Erregung. Diese Kurve f2 liegt auf der Arbeitsseite des Ankers unterhalb der Kurve Q so daß der Anker ohne Erregung auf die Ruhe seite zurückgeworfen wird; es ist also ein monostabiles Schaltverhalten gewährleistet. Die Kurve f3 bezeichnet eine Magnetsystemkennlinie mit einer vorgegebenen Erregung, so wie sie sich ohne magnetischen Nebenschluß ergäbe. Diese Kurve " liegt teilweise noch unter der Kontaktsatzkurve f1, so daß die gegebene Erregung nicht ausreichen würde, um das Relais zum Ansprechen zu bringen. Es müßte also in diesem Fall eine höhere Erregung vorgegeben werden.
• Versieht man jedoch das System mit einem magnetischen Nebenschluß parallel zu dem Arbeitsluftspalt, der in der Ruhelage geschlossen ist, so gewinnt man die Kennlinie gemäß Kurve 4. Diese stimmt an der Ruheseite R des Ankers mit der Kurve f3 überein, steigt jedoch zur Arbeitsseite hin wesentlich stärker an als die Kurve f3, da sich der magnetische Gesamtwiderstand für die Erregung beim Schalten in die Arbeitslage verringert. Damit läßt sich bei gleichbleibender Erregung eine höhere Ankerkraft erzielen, so daß die Federkraft f1 überwunden wird und das Relais anzieht.
• 8 Patentansprüche 8 Figuren

Claims (8)

1. Patentansprüche Ö Elektromagnetisches Hubankerrelais mit einer mindestens eine Wicklung aufweisenden Spule, einem innerhalb der Spule angeordneten Kern sowie einem außerhalb der Spule angeordneten Joch, wobei der Kern und das Joch relativ zueinander in Axialrichtung der Spule bewegbar sind und der bewegliche Teil mit mindestens einem beweglichen Kontaktelement gekoppelt ist, wobei das mindestens dreischenkelige Joch sich mit einem Mittelteil neben der Spule erstreckt und an beiden Stirnseiten der Spule mit zwei Polschenkeln jeweils einen'Arbeitsluftspalt mit dem Kern bildet, wobei weiterhin im Spulenkörper mindestens eine Magnetkammer mit einem Dauermagneten vorgesehen ist, dessen Polarisierung zwischen dem Kern und dem Joch gerichtet ist und wobei neben der Spule ein Kontaktsatz mit parallel zur Spulenachse bewegbaren Kontaktelementen angeordnet ist, nach Patent (Aktenzeichen P 31 31 762.6), dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (6) an einem Ende zumindest einen in Radialrichtung vor dem Wicklungsende verlaufenden Querscheniel (6a) besitzt, welcher im Vergleich zum anderen Kernende eine vergrößerte Polfläche (6c) gegenüber dem zugehörigen Folschenkel (7c) des Joches sowie einen zusätzlichen Nebenluftspalt (RN) mit dem Mittelteil (7a) des Joches (7) bildet.
2. 2. Relais nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Kern (6) mit dem Querschenkel (6a) eine T-förmige Gestalt besitzt.
3. 3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t , daß der Spulenkörper (2) im Bereich des Querschenkels (6a) des Kerns (6) zumindest eine Magnetkammer (8, 9) bildet, in welcher jeweils ein in Radialrichtung der Spule und senkrecht zum Querschenkel (6a) des Kerns polarisierter Dauermagnet (10, 11) angeordnet ist.
4. 4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Nebenluftspalt durch einen am Querschenkel (6a) des Kerns (6) angeformten, in einen Schlitz (7f) des Joches (7) eingreifenden, jedoch innerhalb des Schlitzes in Axialrichtung verschiebbaren Fortsatz (6d) gebildet wird.
5. 5. Relais nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h ne t , daß der Fortsatz (6d) des Kerns (6) durch den Schlitz (7f) des Joches (7) hindurchgreift.
6. 6. Relais nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das bügelförmige Joch (7) im Bereich des Querschenkels (6a) des Kerns jeweils den Spulenflansch (4) umfassende Seitenschenkel (7d, 7e) besitzt, wobei jeweils zwischen einem Seitenschenkel (7d, 7e) und dem Querschenkel (6a) des Kerns (6) ein Dauermagnet (10, 11) angeordnet ist und der Fortsatz (6d) des Kerns (6) in einen Schlitz (7f) des Joch-Mittelteils (7a) eingreift.
7. 7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß das Joch (7) in Axialrichtung der Spule (5) bewegbar ist und als Anker mit einem beweglichen Kontaktschieber (13) verbunden ist.
8. 8. Relais nach Anspruch 6 und 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der durch den Jochmittelteil (7a) hindurchgreifende Kernfortsatz (6d) an einer Auflagefläche (Id) eines Grundkörpers (1) befestigt ist.