DE3882099T2 - Highly sensitive electromagnetic release and its manufacture. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen elektromagnetischen Auslöser mit hoher Ansprechempfindlichkeit gemäß den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1.The invention relates to a manufacturing method for an electromagnetic release with high response sensitivity according to the characterizing features of claim 1.
Auslöser der genannten Art müssen zuverlässig und bei Ansprechwerten arbeiten, die unabhängig von äußeren Einflüssen, insbesondere von feuchtwarmer Umgebung sind, durch die es zu Korrosion zwischen dem Nickel und dem Eisen mit Bildung von Eisenoxyden bzw. -hydroxyden kommen kann, die ihrerseits zu einer unerwünschten Auslösung oder zum Hängenbleiben des Ankers führen können. Auslöser mit hoher Ansprechempfindlichkeit werden normalerweise in Differenzstrom-Lasttrennschalter oder -Leistungsschalter für den Berührungsschutz integriert, bei denen jede Fehlfunktion ausgeschlossen werden muß.Releases of this type must operate reliably and at response values that are independent of external influences, in particular of warm, humid environments, which can lead to corrosion between the nickel and the iron, with the formation of iron oxides or hydroxides, which in turn can lead to unwanted tripping or the armature getting stuck. Releases with high response sensitivity are normally integrated into residual current load break switches or circuit breakers for contact protection, where any malfunction must be excluded.
Es wurden bereits Lösungen vorgeschlagen, bei denen die Polflächen mit einer Schutzschicht, insbesondere aus Kunststoff oder einem Edelmetall überzogen wurden, jedoch sind diese Schutzschichten entweder zu dick und verringern dann die Ansprechempfindlichkeit des Auslösers, oder sie sind zu dünn, so daß in feuchter Umgebung zwischen dem Trägermaterial und der Beschichtung bzw. zwischen dem Eisen und dem Nickel des Trägermaterials ein Kraftmoment entsteht. Um eine größtmögliche Verringerung des Luftspalts zwischen den vollkommen glatten Oberflächen zu erreichen, werden normalerweise polierte Polflächen verwendet, das Feuchtigkeitsverhalten wird dadurch jedoch nicht positiv, sondern eher negativ beeinflußt. Bei geringem Luftspalt berühren sich die Polflächen mit einzelnen Bereichen oder Flächenabschnitten, in denen es darüber hinaus bei Kondensation des Wasserdampfs und schlechter Belüflung zur Ansammlung von Wasser und somit einer Begünstigung von Korrosion kommt. Diese Korrosion breitet sich über den gesamten Flächenabschnitt aus und führt so zum Hängenbleiben des Relais.Solutions have already been proposed in which the pole faces are coated with a protective layer, particularly made of plastic or a precious metal, but these protective layers are either too thick and then reduce the sensitivity of the trigger, or they are too thin, so that in a humid environment a moment of force is created between the carrier material and the coating or between the iron and the nickel of the carrier material. In order to achieve the greatest possible reduction in the air gap between the completely smooth surfaces, polished pole faces are normally used, but this has a negative rather than a positive effect on the moisture behavior. If the air gap is small, the pole faces touch individual areas or surface sections in which, in addition, condensation of the water vapor and poor ventilation lead to the accumulation of water, thus promoting corrosion. This corrosion spreads over the entire surface section and causes the relay to stick.
Durch die Druckschrift FR-A-2.412.159 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Auslösers mit hoher Ansprechempfindlichkeit bekannt, dessen Eigenschaften mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 übereinstiminen und bei dem mindestens eine der Polflächen mit einer Schutzschicht von ≤ 1 um Dicke überzogen ist, die einen Schmiereffekt bewirkt und jegliche Abnutzung durch Reibung verhindert. Diese Schutzschicht umschließt die kleinen Unebenheiten, so daß diese nicht mehr brechen können, sie bietet jedoch keinerlei Korrosionsschutz.The document FR-A-2.412.159 discloses a method for producing a release with high response sensitivity, the properties of which correspond to the characterising features of claim 1 and in which at least one of the pole faces is coated with a protective layer of ≤ 1 µm thickness, which has a lubricating effect and prevents any wear due to friction. This protective layer encloses the small irregularities so that they can no longer break, but it does not offer any protection against corrosion.
Weiterhin ist durch die Druckschrift FR-A-2.412.159 ein Auslöser mit hoher Ansprechempfindlichkeit bekannt, der den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 entspricht.Furthermore, a trigger with high response sensitivity is known from the publication FR-A-2.412.159, which corresponds to the characterizing features of claim 1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Auslöser mit hoher Ansprechempfindlichkeit und in feuchtwarmer Umgebung fehlerfreier Funktionsweise herzustellen, und diese Aufgabe wird durch die Realisierung der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 effüllt.The invention is based on the object of producing a trigger with high response sensitivity and faultless operation in a warm, humid environment, and this object is fulfilled by the realization of the characterizing features of claim 1.
Die Polflächen des Magnetkerns und des Ankers werden der gleichen Oberflächenbearbeitung, insbesondere einer mechanischen Behandlung z.B. durch Polieren mit geeigneten Werkzeugen und Abrasivstoffen unterzogen, so daß eine Oberflächengüte mit einer Rauhtiefe von 0,03 ≤ Ra ≤ 0,5 um entsteht und nach Aufbringen einer Schutzschicht von etwa 1 um oder weniger die Erhebungen und das Profil im Maßbereich 0,03 ≤ Ra ≤ 0,5 um verbleiben.The pole faces of the magnetic core and the armature are subjected to the same surface treatment, in particular a mechanical treatment, e.g. by polishing with suitable tools and abrasives, so that a surface quality with a roughness depth of 0.03 ≤ Ra ≤ 0.5 μm is created and after applying a protective layer of about 1 μm or less, the elevations and the profile remain in the dimension range 0.03 ≤ Ra ≤ 0.5 μm.
Das gute Funktionsverhalten der erfindungsgemäßen Auslöser resultiert zum einen aus den punktuellen Berühmngsstellen zwischen den beiden Polflächen an den entsprechenden Erhebungsspitzen (und nicht an Flächenabschnitten) und zum anderen aus der Schutzschicht, die jegliche Entstehung oder Ausbreitung von Korrosion an den Berührungsstellen zwischen den beiden Polflächen verhindert. Der geringe Luftspalt sowie die hohe Ansprechempfindlichkeit bleiben aufrechterhalten.The good functional behavior of the release according to the invention results, on the one hand, from the point-like contact points between the two pole surfaces at the corresponding elevation tips (and not at surface sections) and, on the other hand, from the protective layer, which prevents any formation or spread of corrosion at the contact points between the two pole surfaces. The small air gap and the high response sensitivity are maintained.
Die Schutzschicht kann aus verschiedenen Werkstoffen bestehen und auf unterschiedliche Weise aufgebracht werden. Sie muß aber in jedem Fall dünn, quasi-porenfrei, sauber und haftend sein.The protective layer can consist of different materials and be applied in different ways. However, it must always be thin, almost pore-free, clean and adhesive.
Nach einer ersten Ausführungsvariante wird die Polfläche mit einer Nickeloxyd-Verbindung beschichtet, die durch elektrolytisches Polieren mit daraus folgender Anreicherung der Oberfläche mit Nickel und deren Oxydation unter Einwirkung von Luft, oder aber durch ein physikalisches bzw. chemisches Vakuumverfahren zur Herstellung eines galvanischen Nickelüberzugs mit einer Schichtdicke von ≤ 1 um gewonnen werden kann, wobei die anschließende Oxydation auf gleiche Weise erfolgt.According to a first variant, the pole surface is coated with a nickel oxide compound, which is produced by electrolytic polishing with the resulting enrichment of the surface with nickel and its oxidation under the influence of air, or by a physical or chemical vacuum process to produce a galvanic nickel coating with a layer thickness of ≤ 1 µm, with the subsequent oxidation taking place in the same way.
In der Druckschiift DE-A-2.541.392 wird ein Elektromagnet mit Tauchkern beschrieben, dessen Polflächen zur Führung des Kerns sowie die Oberfläche des Kerns selbst mit einer Nickel- oder Chromschicht überzogen sind, die den Flächen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit verleihen. Die Schichtdicke beträgt 15 um.The publication DE-A-2.541.392 describes an electromagnet with a plunger core, whose pole faces for guiding the core and the surface of the core itself are coated with a nickel or chromium layer, which gives the surfaces a high level of corrosion resistance and wear resistance. The layer thickness is 15 µm.
Die Schutzschicht kann aus einem Nitrid, insbesondere Titannitrid, einem Karbid, einem Borid, amorphem Kohlenstoff oder einem Metall der Hauptgruppen IB, IVB, VIB und VIII des Periodensystems der Elemente, insbesondere aus Chrom oder Titan bestehen. Die galvanische Beschichtung erfolgt mit physikalischen bzw. chemischen Standard-Vakuumverfahren, mit denen ein sauberer und dünner Überzug gleichmäßiger Dicke erzeugt werden kann, die vorteilhaft zwischen 0,2 und 0,9 um liegt. Chrom und Titannitrid eignen sich hierfür besonders gut. Erfindungsgemäß beträgt die größte Einzelrauhtiefe Rmax weniger als 6 um, so daß allzu steile und spitze Erhebungen mit unzureichend geschützten Flanken, an denen es zu Rissen in der Schutzschicht kommen kann, vermieden werden.The protective layer can consist of a nitride, in particular titanium nitride, a carbide, a boride, amorphous carbon or a metal from main groups IB, IVB, VIB and VIII of the Periodic Table of the Elements, in particular chromium or titanium. The galvanic coating is carried out using physical or chemical standard vacuum processes, with which a clean and thin coating of uniform thickness can be produced, which is advantageously between 0.2 and 0.9 µm. Chromium and titanium nitride are particularly suitable for this. According to the invention, the largest individual roughness depth Rmax is less than 6 µm, so that overly steep and pointed elevations with inadequately protected flanks, where cracks can occur in the protective layer, are avoided.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die eigentlichen Auslöser mit hoher Ansprechempfindlichkeit, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden.The invention also relates to the actual triggers with high response sensitivity, which are manufactured according to the method described above.
Weitere Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor, das in den beigefügten Zeichnungen wie folgt dargestellt ist:Further advantages will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, which is shown in the accompanying drawings as follows:
- Die Figuren 1 und 2 zeigen die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Auslösers in der Anzugs- bzw. Ausgelöst-Stellung;- Figures 1 and 2 show the schematic representation of a release device according to the invention in the pull-in and released positions respectively;
- Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Polflächen während der Berührung;- Figure 3 shows an enlarged view of the pole faces during contact;
- Figur 4 zeigt das Profil einer Polfläche.- Figure 4 shows the profile of a pole face.
Die nachstehende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf ihre Anwendung in einem Auslöser entsprechend dem französischen Patent Nr. 2520164, sie ist jedoch selbstverstandlich auch auf Auslöser anderer Bauart anwendbar, insbesondere auf solche gemäß dem französischen Patent 2261614.The following description of the invention refers to its application in a trigger according to French patent no. 2520164, but it is of course also applicable to triggers of other types, in particular those according to French patent 2261614.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen elektromagnetischen Auslöser mit einem U-förmigen Magnetkern 1 aus einer Eisen-Nickel-Legierung sowie einem rechteckigen stabförmigen Dauermagneten 2, der zwischen den Schenkeln 3, 4 des Magnetkerns 1 angeordnet und mit einem der Pole 5, 6 auf dem waagerechten Schenkel 7 des U-förmigen Ankers 1 befestigt ist.Figures 1 and 2 show an electromagnetic release with a U-shaped magnetic core 1 made of an iron-nickel alloy and a rectangular rod-shaped permanent magnet 2, which is arranged between the legs 3, 4 of the magnetic core 1 and is attached with one of the poles 5, 6 to the horizontal leg 7 of the U-shaped armature 1.
Ein beweglicher Anker 8, ebeufalls aus einer Eisen-Nickel-Legierung, ist gegenüber den Polenden 9, 10 des Magnetkerns 1 und des Pols 6 des Dauermagneten 2 angeordnet und schwenkbar um die Kante 11 des Schenkels 3 des Magnetkerns 1 gelagert.A movable armature 8, also made of an iron-nickel alloy, is arranged opposite the pole ends 9, 10 of the magnetic core 1 and the pole 6 of the permanent magnet 2 and is pivotably mounted around the edge 11 of the leg 3 of the magnetic core 1.
Eine Rückholfeder 12 wirkt auf den Anker 8 in Richtung der Trennstellung bezüglich des Magnetkerns 1, in der die Polfläche 10 des Magnetkerns 1 und die ihr gegenüberliegende Polfläche 14 des Ankers 8 voneinander abgehoben sind. Der Anker 8 kann zwei stabile Ruhelagen einnehmen. In der ersten, in Figur 1 dargestellten Ruhelage wird er durch den vom Dauermagneten 2 erzeugten magnetischen Fluß 13 mit der Polfläche 14 auf der entsprechenden Polfläche 10 des Magnetkerns 1 gehalten. In der anderen, in Figur 3 dargestellten Ruhelage wird die Polfläche 14 durch die Wirkung der Rückholfeder 12 von der Polfläche 10 abgehoben.A return spring 12 acts on the armature 8 in the direction of the separation position with respect to the magnetic core 1, in which the pole face 10 of the magnetic core 1 and the opposite pole face 14 of the armature 8 are lifted away from each other. The armature 8 can assume two stable rest positions. In the first rest position, shown in Figure 1, it is held by the magnetic flux 13 generated by the permanent magnet 2 with the pole face 14 on the corresponding pole face 10 of the magnetic core 1. In the other rest position, shown in Figure 3, the pole face 14 is lifted away from the pole face 10 by the action of the return spring 12.
Um den Schenkel 4 des Magnetkerns 1 wird eine Spule 16 gewickelt, die bei Stromfluß die Erzeugung eines magnetischen Flusses 15 bewirkt, der dem durch den Dauermagneten 2 im Schenkel 4 hervorgerufenen magnetischen Fluß 13 entgegengesetzt ist. Wird der magnetische Fluß 13 des Dauermagneten 2 durch den magnetischen Fluß der Spule 16 verringert oder zu null, löst sich der Anker 8 durch die Wirkung der Rückholfeder 12 vom Polende 10 des Schenkels 4.A coil 16 is wound around the leg 4 of the magnetic core 1, which causes the generation of a magnetic flux 15 when current flows, which is opposite to the magnetic flux 13 caused by the permanent magnet 2 in the leg 4. If the magnetic flux 13 of the permanent magnet 2 is reduced by the magnetic flux of the coil 16 or to zero, the armature 8 is released from the pole end 10 of the leg 4 by the action of the return spring 12.
Ein solcher Auslöser und seine Funktionsweise sind unter Fachleuten gut bekannt.Such a trigger and how it works are well known among experts.
Erfindungsgemäß werden die Polfläche 14 des Ankers 8 und die Polfläche 10 des Magnetkerns 1 der gleichen Oberflächenbehandlung unterzogen, um eine Oberfläche mit Erhebungsspitzen 18 und Vertiefungen 19 zu erhalten, wobei die Berührung der beiden Polflächen 10, 14 gemäß der schematischen Darstellung in Figur 3 an den Erhebungsspitzen 18 erfolgt. Die Polfläche 9 des Magnetkerns und die zugeordnete Polfläche des Ankers 8 werden vorteilhaft der gleichen Behandlung unterzogen. Der Mittenrauhwert Ra als Mittelwert aller positiven und negativen Abstände des Profils zur Mittellinie gemäß der französischen Norm NF E05-015 ist größer oder gleich 0,03 um und kleiner als 0,5 um. Diese Rauhheit wird durch mechanisches Polieren der Polflächen 10, 14 erreicht, sie ist eindeutig definiert und reproduzierbar. Die polierten Polflächen werden anschließend mit einer dünnen Schutzschicht, z.B. aus Nickeloxyd, Nitrid, Karbid, Borid, amorphem Kohlenstoff oder einem Metall der Hauptgruppen IB, IVB, VIB oder VIII des Periodensystems der Elemente überzogen. Die Nickeloxydschicht kann durch Anreicherung der Oberfläche mit Nickel, z.B. durch Überzug mit einer dünnen Schicht von ≤ 1 um erfolgen. Dieses Nickel oxydiert zu chemisch stabilem Nickeloxyd. Die Anreicherung mit Nickel kann auch durch elektrolytisches Polieren erfolgen, wodurch in erster Linie das Eisen aufgelöst wird und eine mehrere atomare Schichten tief reichende Randzone mit einem erhöhten Nickelanteil zurückbleibt, die bei Kontakt mit Luft oxydiert.According to the invention, the pole face 14 of the armature 8 and the pole face 10 of the magnetic core 1 are subjected to the same surface treatment in order to obtain a surface with raised peaks 18 and depressions 19, whereby the two pole faces 10, 14 come into contact at the raised peaks 18 as shown in Figure 3. The pole face 9 of the magnetic core and the associated pole face of the armature 8 are advantageously subjected to the same treatment. The mean roughness value Ra as the mean value of all positive and negative distances of the profile from the center line according to the French standard NF E05-015 is greater than or equal to 0.03 µm and less than 0.5 µm. This roughness is achieved by mechanically polishing the pole faces 10, 14, it is clearly defined and reproducible. The polished pole surfaces are then coated with a thin protective layer, e.g. made of nickel oxide, nitride, carbide, boride, amorphous carbon or a metal from main groups IB, IVB, VIB or VIII of the periodic table of elements. The nickel oxide layer can be created by enriching the surface with nickel, e.g. by coating it with a thin layer of ≤ 1 μm. This nickel oxidizes to form chemically stable nickel oxide. The nickel enrichment can also be done by electrolytic polishing, which primarily dissolves the iron and leaves behind an edge zone several atomic layers deep with an increased nickel content, which oxidizes when it comes into contact with air.
Der Überzug mit Nickel oder einem anderen Schutzschichtmaterial wird durch physikalische oder chemische Vakuumverfahren ("physical vapor deposition" bzw. "chemical vapor deposition") durchgefuhrt, die unter Fachleuten gut bekannt sind und hier keinerlei Erklärung bedürfen. Die Schutzschicht mit einer Dicke von ≤ 1 um ist gleichmäßig verteilt und bildet in Verbindung mit der genannten Rauhtiefe eine Korrosionssperre. Gute Ergebnisse konnten mit einer Titannitrid- oder Chromschicht erzielt werden, jedoch eignen sich die übrigen zuvor genannten Werkstoffe in gleichem Maße. Es ist von besonderer Wichtigkeit, daß die beiden Polflächen 10, 14 der gleichen Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Bei einem durch ein Vakuumverfahren erzeugten Überzug beträgt die Dicke der Schutzschicht 0,2 bis 0,9 um, und die höchste Erhebung Rmax liegt unter 6 um. Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Oberflächenprofils.The coating with nickel or another protective layer material is carried out by physical or chemical vacuum processes ("physical vapor deposition" or "chemical vapor deposition"), which are well known among experts and do not require any explanation here. The protective layer with a thickness of ≤ 1 µm is evenly distributed and, in conjunction with the mentioned roughness depth, forms a corrosion barrier. Good results could be achieved with a titanium nitride or chromium layer, but the other previously mentioned materials are not suitable in to the same extent. It is particularly important that the two pole faces 10, 14 are subjected to the same surface treatment. In a coating produced by a vacuum process, the thickness of the protective layer is 0.2 to 0.9 µm and the highest elevation Rmax is less than 6 µm. Figure 4 shows an enlarged representation of the surface profile.
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