DE4111092A1 - Fehlerstromrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fehlerstromrelais, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten Magnetsystem mit federbelastetem Klappanker, dessen Auslösebewegung an einen über dem Anker am Gehäuse angeordneten Stößel über­ tragen wird, wobei das Magnetsystem aus einem u-förmigen Joch gebildet ist, an dessen ankerlagerfernen Polschenkel der Spulenkörper mit Fehlerstromanschluß sitzt.

Derartige Fehlerstromrelais sind hinlänglich bekannt und in Benutzung, so daß es diesbezüglich keines besonderen druckschriftlichen Nachweises bedarf. Bei solchen Fehler­ stromrelais wirkt mit dem Klappanker der Stößel zusammen, der im wesentlichen senkrecht zum Anker angeordnet ist und durch den die Schaltbewegung des Ankers auf den ei­ gentlichen Schutzschalter übertragen wird. Bei nicht vor­ handenem Fehlerstrom ruht der Klappanker auf den Polflä­ chen des Magnetsystems entgegen der Federwirkung auf, und zwar gehalten von der Anzugskraft des Dauermagneten, der mit zum Magnetsystem gehört. Tritt ein Fehlerstrom auf, so wird die auf den Klappanker wirkende Anzugskraft redu­ ziert, der Anker schlägt durch die Federkraft auf und der Stößel öffnet den Schutzschalter, der dann nach Beseiti­ gung der Fehlerquelle in bekannter Weise wieder geschlos­ sen und dabei - ebenfalls wieder via Stößel - der Klappanker in seine Ruhestellung auf den Polflächen des Magnetsystems zurückgestellt wird.

Dabei ist man bemüht, die Leistungsaufnahme in bezug auf die vorgegebene und konstante Federkraft bzw. den Magnet­ fluß des Dauermagneten wegen der Ansprechbarkeit des Re­ lais auf Fehlerströme so niedrig wie möglich zu halten, wobei aber gleichzeitig eine ausreichende Störunempfind­ lichkeit gegen äußere mechanische Erschütterungen gegeben sein muß, damit nicht schon allein dadurch das Relais ausgelöst wird. Bezüglich der Leistungsaufnahme (via Feh­ lerstrom) kommt es also entscheidend darauf an, in wel­ cher Weise der vom Fehlerstrom via Spule im Magnetsystem erzeugte magnetische Kraftfluß auf den des Dauermagneten einwirken kann, um diesen soweit zu reduzieren, daß vom Dauermagneten erzeugte Ankerhaltekraft aufgehoben und die dieser entgegenwirkende Federkraft wirksam werden und den Klappanker abheben kann. Soweit bekannt, haben bishe­ rige Bemühungen, die Leistungsaufnahme zu reduzieren und damit die Ansprechbarkeit solcher Relais zu erhöhen, im­ mer zu einer erhöhten Störanfälligkeit gegen äußere me­ chanische Erschütterungen oder dgl. Einwirkungen geführt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, Feh­ lerstromrelais der gattungsgemäßen Art mit einfachen Mit­ teln dahingehend zu verbessern, daß bei zumindest ver­ gleichsweise gleicher Störunempfindlichkeit bisheriger Relais, die Leistungsaufnahme wesentlich reduziert und damit die Ansprechbarkeit auf Fehlerströme erhöht werden kann.

Diese Aufgabe ist mit einem Fehlerstromrelais der ein­ gangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kenn­ zeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und praktische Ausführungs­ formen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Relais sind die Polflächen des im Nebenschluß befindlichen Dauer­ magneten voll in das magnetische Gesamtsystem eingebun­ den, wodurch der magnetische Kraftfluß optimal in das weichmagnetische Material eingeleitet wird und Sätti­ gungseffekte in den Kreisen der magnetischen Kraftflüsse vermieden werden, wenn der Ladungszustand des Dauermage­ neten einen Maximalwert nicht überschreitet. Da der Ne­ benschlußwiderstand sehr viel größer ist als die Wider­ stände, die durch die Luftspalte zwischen Klappanker und den Polflächen des Joches erzeugt werden, ist die Impe­ danz des Relais im Arbeitspunkt weitgehend konstant und nur im geringen Maße abhängig von der Auslöse-Leistung. Der Nebenschlußwiderstand ist dabei exakt definiert durch die zwischen den Jochteilen eingefügte nichtmagnetische Folie. Dies alles zusammen garantiert im Zusammenspiel mit dem praktisch verlustfreien Öffnungsmechanismus einen stabilen Betrieb bei einer Leistungsaufnahme von nur 50 µVA und bei mindestens gleichgroßer Störunempfindlich­ keit gegen mechanische Schockbeanspruchung, wie sie bis­ herige FI-Relais haben, deren Leistungsaufnahme dabei aber wesentlich höher liegt.

Das erfindungsgemäße Fehlerstromrelais wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines einzigen und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 näher erläutert. Fig. 2 stellt ein Ersatzschaltbild für das gesamte, dem Relais zugrundeliegende magnetische Sy­ stem dar.

Grundsätzlich und in bekannter Weise besteht dabei das Fehlerstromrelais aus einem in einem Gehäuse 4 angeordne­ ten Magnetsystem mit federbelastetem Klappanker 2, dessen Auslösebewegung an einen über dem Anker 2 am Gehäuse 4 angeordneten Stößel 3 übertragen wird, wobei das Magnet­ system aus einem u-förmigen Joch J gebildet ist, an des­ sen ankerlagerfernen Polschenkel 11′ der Spulenkörper 1 mit Fehlerstromanschluß 12 sitzt. Für dieses Fehlerstrom­ relais ist nun wesentlich, daß das u-förmige Joch J aus einem L-förmigen Jochteil 11 und einem S-förmigen Joch­ teil 7 gebildet ist, das mit seinem Schenkel 7′ unterhalb des Spulenkörpers 1 unter Zwischenschaltung einer nicht­ magnetischen Folie 10 am Polschenkel 11′ anliegt, wobei der Dauermagnet 9 des Magnetsystems zwischen dem kurzen Schenkel 11′′ des Jochteiles 11 und dem den Basissteg 7′′′ des u-förmigen Joches J bildenden Verbindungssteg des Schenkels 7′ und des Polschenkels 7′′ des S-förmigen Joch­ teiles 7 angeordnet ist. Das Gehäuse 4 ist dabei als das ganze System umschließende, auf einer Bodenplatte 8 sit­ zende Haube ausgebildet, in der oben und zentrisch der Stößel 3 in einer Führung angeordnet ist, der bspw. einen Hub von mindestens 2 mm mit ausreichender Kraft zur Betä­ tigung des Schlosses im FI-Schalter überbrücken können soll.

Der interne Magnetkreis besteht aus dem Dauermagneten 9, dem L-Jochteil 11, dem S-Jochteil 7 und der Folie 10. Das L-Jochteil 11, die Folien 10 und das S-Jochteil 7 sind durch je zwei Laserschweißpunkte (nicht dargestellt) rechts und links fest miteinander verbunden. Der Dauer­ magnet 9 ist durch je einen Laserschweißpunkt rechts und links unten am L-Joch 11 befestigt. Der Spulenkörper 1 sitzt auf dem Polschenkel 11′ des L-Jochteils 11 und ist mit der Bodenplatte 8 verklipst. Die beiden elektrisch leitenden Anschlußfahnen 12, die im Spulenkörper 1 mit den beiden Wicklungsenden verlötet sind, ragen zur Kon­ taktierung durch die Bodenplatte nach außen.

Auf dem Polschenkel 7′′ des S-Jochteils 7 sitzt der Anker­ halter 6. In zwei seitlichen Führungen im Ankerhalter 6 ist die Ankerhaltewelle 13 geführt, die über einen rechteckigen Dorn 13′ verfügt, der im Klappanker 2 ver­ stemmt und somit fest mit diesem verbunden ist. Am Ende des Ankers ist eine Zugfeder 5 eingehängt, deren anderes Ende an der Bodenplatte 8 befestigt ist. Im geschlossenen Relaiszustand ist diese Zugfeder 5 um einen festen Betrag vorgespannt. Um eine möglichst verlustfreie, exakte und die Ansprechbarkeit des Relais praktisch nicht beein­ trächtigende Klappankerlagerung zu erreichen, ohne dabei, wie dies bei bekannten Relais in der Regel der Fall ist, Feder- und Kippkantenausbildungen benutzen zu müssen, die immer mehr oder weniger stark mit Verlusten verbunden sind, besteht, wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich und wie zum Teil vorerwähnt, diese vorteilhafte Weiterbildung des Relais im einzelnen darin, daß im auf dem Polschen­ kel 7′′ des S-förmigen Jochteiles 7 entsprechend positio­ nierten Ankerhalter 6 in dessen Seitenflanken 15 mit ge­ ringstmöglichem Drehspiel die Achsstümpfe der Ankerhalte­ welle 13 gelagert sind, deren Dorn 13′ mit dem unmittel­ bar darüber erstreckten Teil des Klappankers 2 fest ver­ bunden ist, welche Verbindungsstelle selbstverständlich vor der Einhakstelle der Zugfeder 5 liegt.

Dieses Relais funktioniert wie folgt:
Der Dauermagnet 9 erzeugt einen magnetischen Kraftfluß Φ1 durch das S-Jochteil 7 und das L-Jochteil 11 und einen zweiten magnetischen Kraftfluß Φ2 durch das S-Jochteil 7, den Anker 2 und das L-Jochteil 11. Der Absolutwert der Kraftflüsse Φ1 und Φ2 ist durch den Ladungszustand des Dauermagneten 9 festgelegt. Das Verhältnis der Kraft­ flüsse Φ1 zu Φ2 wird durch die Größe des "Magnetischen Luftspaltes" definiert, der durch die Dicke der Folie 10 gegeben ist. Die magnetischen Verhältnisse sind durch das beigefügte Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 darstellbar.

Die geometrische Konfiguration des weichmagnetischen Kreises (L-Jochteil, S-Jochteil und Anker gewährleistet, daß im Material keine Sättigung auftreten kann, wenn der Ladungszustand des Dauermagneten einen festgelegten Maxi­ malwert nicht überschreitet, was bewirkt, daß in weiten Bereichen eine freie Anpassung an den vorgeschalteten Wandler möglich ist.

Der magnetische Kraftfluß Φ2 sorgt dafür, daß der Anker 2 fest auf die Polflächen der S-, und des L-Jochteiles ge­ drückt wird. Dieser sogenannten "Ankerhaltekraft" wirkt die gespannte Zugfeder 5 entgegen. Diese Zugfeder 5 be­ wirkt bei fehlendem magnetischen Kraftfluß Φ2 das Öffnen des Relais, d. h. der Anker 2 wird um die Ankerhaltewelle 13 in Uhrzeigerrichtung gedreht, bis der Stößel 3 an der das Gehäuse 4 bildenden Haube anschlägt.

Im geschlossenen Relaiszustand ist die Ankerhaltekraft, erzeugt durch den Magnetfluß Φ2, grundsätzlich stärker, als die entgegen gerichtete Kraft, die durch die Zugfeder 5 erzeugt wird. Der Überhang der Ankerhaltekraft, erzeugt durch den magnetischen Fluß Φ2 gegenüber der entgegen ge­ richteten Kraft der Zugfeder 5, ist ein Maß für die Stö­ runempfindlichkeit des Relais gegen äußere mechanische Erschütterungen. Über die Anschlußfahnen 12 wird in einem FI-Schalter ein Fehlerstrom in die Spule 1 eingeleitet. Dieser Fehlerstrom induziert einen magnetischen Kraftfluß Φ3, der dem Kraftfluß Φ2 entgegenwirkt und damit auch der Ankerhaltekraft.

Von einer bestimmten Fehlerstromstärke ab in der Spule 1 ist der von ihr induzierte magnetische Kraftfluß Φ3 so groß, daß die durch die vorgespannte Zugfeder 5 erzeugte Kraft zum Öffnen des Ankers 2 führt.

Claims (6)

1. Fehlerstromrelais, bestehend aus einem in einem Ge­ häuse (4) angeordneten Magnetsystem mit federbela­ stetem Klappanker (2), dessen Auslösebewegung an einen über dem Anker (2) am Gehäuse (4) angeordneten Stößel (3) übertragen wird, wobei das Magnetsystem aus einem u-förmigen Joch (J) gebildet ist, an des­ sen ankerlagerfernen Polschenkel (11′) der Spu­ lenkörper (1) mit Fehlerstromanschluß (12) sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das u-förmige Joch (J) aus einem L-förmigen Jochteil (11) und einem S-förmigen Jochteil (7) ge­ bildet ist, das mit seinem Schenkel (7′) unterhalb des Spulenkörpers (1) unter Zwischenschaltung einer nichtmagnetischen Folie (10) am Polschenkel (11′) anliegt, wobei der Dauermagnet (9) des Magnetsystems zwischen dem kurzen Schenkel (11′′) des Jochteiles (11) und dem den Basissteg (7′′′) des u-förmigen Jo­ ches (J) bildenden Verbindungssteg des Schenkels (7′) und des Polschenkels (7′′) des S-förmigen Joch­ teiles (7) angeordnet ist.

2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Polschenkel (11′) sitzende Spulen­ körper (1) mit einem verlängerten Fortsatz (1′) ver­ sehen und mittels eines Klips (14) an der Boden­ platte (8) des Gehäuses (4) festgelegt ist.

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schenkel (11′) des L-Jochteiles (11) unter einem Bodenplattenfortsatz (8′) verankert ist.

4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Jochteile (7, 11) im Bereich der Fo­ lie (10) an den Seitenflanken miteinander punktver­ schweißt sind.

5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (9) mit dem Schenkel (11′) des L-Jochteiles (7) an zwei Stellen punktverschweißt ist.

6. Relais, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Polschenkel (7′′) des S-förmigen Jochteiles (7) positionierte Ankerhalter (6) in sei­ nen Seitenflanken (15) mit zueinander fluchtenden Nuten (16) versehen ist, in denen mit geringem Drehspiel die Achsstümpfe der mit einem Dorn (13′) versehenen Ankerhaltewelle (13) gelagert sind, welcher Dorn (13′) mit dem unmittelbar darüber er­ streckten Teil des Klappankers (2) fest verbunden ist.