DE4244247A1 - Elektromagnetische Anordnung - Google Patents
Elektromagnetische AnordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Anordnung mit einer
elektrischen Spule, mit einem als Spaltpol ausgebildeten Spulenkern,
dessen einer Pol zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von einem
Kurzschlußring umschlossen ist, mit einem dem Spaltpol gegenüber
liegend angeordneten Anker und mit einem den magnetischen Kreis
schließenden Joch.
Derartige elektromagnetische Anordnungen sind aus vielen Bereichen
der Technik bekannt, beispielsweise sind mit Wechselstrom betreib
bare Relais nach dem Stand der Technik so aufgebaut. Die Spaltung
des dem Anker gegenüberliegenden Pols in mindestens zwei Pole,
von denen einer mit einem Kurzschlußring umschlossen ist, dient
dazu, eine Phasenverschiebung innerhalb des durch den Stromfluß in
der Spule im magnetischen Kreislauf induzierten magnetischen Stro
mes im Bereich dieser beiden Pole zu erreichen. Diese Phasenver
schiebung ist erforderlich, damit ein Unterbrechen der Haltekraft
wegen Wechsels der Stromrichtung zwischen Spulenkern und Anker
verhindert wird. Ausgestaltungen derartiger elektromagnetischer
Anordnungen sind beispielhaft in DE-AS 11 41 026 und DE-AS
15 39 918 beschrieben.
Zur Erzeugung möglichst günstiger Kraftverhältnisse zwischen dem
Spaltpol und dem Anker ist man bei Spaltpolkernen in geblechter
Bauweise bestrebt, die vom Kurzschlußring umschlossene Fläche
möglichst groß zu halten. Dadurch wird der magnetische Widerstand
über diesen Flußweg klein gehalten. Durch diese Maßnahme können
einerseits günstige Flußverhältnisse und andererseits günstige Aus
gangsverhältnisse bezüglich der Phasenverschiebung zwischen den
beiden Teilflüssen erreicht werden. Voraussetzung hierfür ist aller
dings die Kernlamellierung, die eine homogene Feldverteilung zur
Folge hat. Der Effekt der Feldverdrängung wird bei geeigneter
Dimensionierung der Blechdicke durch sehr geringe Wirbelströme in
den Kernblechen nicht auftreten.
Schon aus fertigungstechnischen Gründen ist man jedoch bestrebt ab
einer bestimmten Kerngröße, z. B. für Wechselstromrelais, ungeblech
te Spulenkerne zu verwenden. Durch die auftretenden Wirbelströme
im nichtlamellierten Kern wird eine Feldverdrängung verursacht, die
eine geringe Eindringtiefe des Magnetfeldes zur Folge hat. Damit ist
gleichzeitig ein in homogenes Magnetfeld in unmittelbarer Spaltpol
umgebung verbunden. Diese physikalischen Gegebenheiten wirken
sich auf die magnetischen Kräfte zwischen den Polen und dem Anker
ungünstig aus, da die Flußdichten über den Polflächen damit eben
falls ortsabhängig und unterschiedlich sind.
Aufgrund der relativ großen, vom Kurzschlußring umschlossenen
Polfläche ist der Einfluß der Feldverdrängung mit den oben erwähn
ten Folgen bei diesem Pol nicht mehr zu vernachlässigen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
elektromagnetische Anordnung der eingangs erwähnten Art so auszu
bilden, daß die vorerwähnten nachteiligen Effekte vermieden oder
zumindest verringert werden und daß somit vergleichsweise höhere
Haltekräfte zwischen Spaltpol und Anker erzielt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der
vom Kurzschlußring umschlossene Pol zur Erhöhung der Flußdichte
zwischen Pol und Anker so ausgebildet wird, daß seine endseitige
Stirnfläche kleiner als seine Querschnittsfläche im Bereich des Kurz
schlußringes ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des vom Kurzschlußring umschlos
senen Pols hat eine lokale Erhöhung der Flußdichte im Bereich dieses
Pols zur Folge, wobei zusätzlich die relative Permeabilität abgesenkt
wird, was eine größere Eindringtiefe mit sich bringt.
Die Dimensionierung der Polflächen im einzelnen kann rechnerisch
und/oder empirisch ermittelt werden. Die Querschnittsfläche eines
Pols darf jedoch nur soweit verkleinert werden, daß gerade die
Sättigungsgrenze des Materials erreicht wird, da anderenfalls der für
das Kräfteverhältnis positive Effekt kompensiert wird. Eine signifi
kante Steigerung der Flußdichte zum Erhalt der gewünschten Steige
rung der Haltekraft erhält man, wenn man das Flächenverhältnis von
der endseitigen Stirnfläche des beschatteten Pols zu der Gesamtquer
schnittsfläche dieses Pols kleiner oder gleich 0,7 wählt.
Es ist zwar bekannt, den vom Kurzschlußring umschlossenen Pol
anzufasen, wodurch die endseitige Stirnfläche dieses Pols ebenfalls
kleiner als die Querschnittsfläche dieses Pols im Bereich des Kurz
schlußringes ist. Dieses bekannte Anfasen des Pols dient jedoch
ausschließlich zur leichteren Montage des Kurzschlußringes. Die sich
dadurch möglicherweise einstellenden Änderungen in den Kraftver
hältnissen sind in der Praxis vernachlässigbar und entsprechen kei
nesfalls den mit der erfindungsgemäßen Lösung erreichten Verände
rungen. Die erfindungsgemäße Lösung wird bevorzugt durch eine
Abstufung innerhalb des vom Kurzschlußring umschlossenen Pols
erreicht. Theoretisch könnte eine solche Veränderung der magnetisch
wirksamen Polfläche auch durch eine einseitig oder umlaufende
Abschrägung des endsprechenden Poles zu seinem stirnseitigen Ende
hin erfolgen, die praktischen Erfordernisse stehen jedoch einer sol
chen Lösung entgegen. Für die Krafterhöhung zwischen Pol und
Anker ist die Erhöhung der magnetischen Flußdichte entscheidend.
Diese Erhöhung ist jedoch nur in unmittelbarer Polnähe erwünscht,
da anderenfalls der magnetische Widerstand und damit auch der
magnetische Spannungsabfall in nicht mehr tolerierbarem Maße
ansteigen würde. Durch eine solche Abschrägung könnte der zug
kraftsteigernde Effekt nur in unzulänglicher Weise erreicht werden
oder dann, wenn der Kurzschlußring wesentlich weiter zurückgesetzt
würde, was bekanntermaßen von Nachteil ist.
Durch die stufenförmige Ausbildung des vom Kurzschlußring um
schlossenen Pols im Bereich zwischen Kurzschlußring und Anker
wird die effektive Polfläche in diesem Bereich so verkleinert, daß
der gesamte magnetische Fluß dieses Polzweiges in diesem vermin
derten Polquerschnitt konzentriert wird. Dadurch werden annähernd
homogene Feldverhältnisse erzeugt, die nur noch durch die Dreidi
mensionalität des magnetischen Rückschlusses gestört werden. Durch
die lokale Erhöhung der Flußdichte wird trotz der Verkleinerung der
Polfläche eine Kraftsteigerung erreicht, da die magnetische Kraft
quadratisch mit der Flußdichte ansteigt.
Es zählt zum Stand der Technik, den nicht vom Kurzschlußring
umschlossenen Pol zum Anker hin durch eine Abschrägung in seinem
wirksamen Querschnitt zu verkleinern. Diese Maßnahme dient jedoch
ausschließlich zur Einstellung der gewünschten Flußverhältnisse.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die Form des
Spulenkerns als solche, es können auch mehr als zwei Spaltpole
vorgesehen sein. Eine zweckmäßige Ausgestaltung bei einem im
Querschnitt runden Spulenkern kann auch darin liegen, daß die end
seitigen Stirnflächen der Pole durch konzentrische Ringflächen gebil
det sind. Der Kurzschlußring liegt dann also innerhalb einer in der
Stirnseite des Spulenkerns eingebrachten Ringnut. Die Abstufung des
vom Kurzschlußring umschlossenen Pols kann dann in einfacher
Weise durch eine zentrische Sacklochbohrung erfolgen, deren Tiefe
kleiner als die der für den Kurzschlußring vorgesehenen Ringnut ist.
Der Spulenkern muß nicht notwendigerweise massiv ausgebildet sein,
auch geblechte Ausführungen sind denkbar. Ein einstückiger Spulen
kern aus Vollmaterial wird jedoch bevorzugt im Zusammenhang mit
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Die vorerwähnte, mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbare
Erhöhung der magnetischen Kraft zwischen Spulenpol und Anker wird
durch die gezielte Erhöhung des magnetischen Flusses in diesem
Bereich erzielt. Sie kann gemäß der Erfindung jedoch nicht nur
durch die vorerwähnte bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des
Spulenkerns, sondern auch durch eine entsprechende Ausgestaltung
des Ankers in dem den Spaltpol gegenüberliegenden Bereich erfolgen,
indem der Anker in seinem dem vom Kurzschlußring umgebenen Pol
gegenüberliegenden Bereich entsprechend ausgebildet ist. Die in
diesem Bereich wirksame magnetische Fläche ist zur Konzentration
des magnetischen Flusses entsprechend zu verkleinern, und zwar so,
daß die magnetisch wirksame Stirnfläche des Ankers in diesem Be
reich kleiner als die endseitige Stirnfläche des Pols ist.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Anker eine zum
Pol hin weisende erhabene Stirnfläche aufweist, die dem vom Kurz
schlußring umschlossenen Pol gegenüberliegt und kleiner als die
endseitige Stirnfläche dieses Pols ist.
Konstruktiv und fertigungstechnisch einfach kann dies jedoch auch
dadurch erreicht werden, daß der Anker quasi verkürzt ausgebildet
wird, so daß seine dem vom Kurzschlußring umgebenen Pol gegen
überliegende magnetisch wirksame Fläche kleiner ist als die endseiti
ge Stirnfläche dieses Pols.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen darge
stellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen in stark verein
fachter Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführung
einer elektromagnetischen Anordnung gemäß der Erfin
dung,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf den
Spulenkern in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 eine alternative Ausbildung eines Spulenkerns in Dar
stellung nach Fig. 2,
Fig. 5 einen Schnitt längs der Schnittlinie V-V in Fig. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Spulenkern nach dem Stand
der Technik und
Fig. 7 einen Schnitt längs der Schnittlinie VII-VII in Fig. 6
in Verbindung mit zwei alternativen Ausbildungen des
Ankers im Bereich gegenüberliegend dem Spulenkern.
Die anhand von Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Anordnung
kann beispielsweise Teil eines elektromagnetischen Wechselstromre
lais darstellen. Die elektrische Spule ist dabei mit 1 gekennzeichnet.
Innerhalb dieser Spule 1 befindet sich ein Spulenkern 2, der Teil
eines magnetischen Kreises bestehend aus dem Spulenkern 2, einem
Joch 3 und einem Anker 4 ist. Der Spulenkern 2 hat im wesentlichen
eine zylindrische Form und besteht aus Vollmaterial hoher Permeabi
lität. An der in Fig. 1 unteren Seite ist der Spulenkern 2 mit dem
Joch 3 verbunden, das ebenfalls aus magnetisch gut leitendem Mate
rial besteht. Das Joch ist in Ansicht nach Fig. 1 etwa L-förmig und
verläuft mit einem Schenkel quer und mit dem anderen parallel zum
Spulenkern 2. An dem dem Joch 3 abgewandten Ende des Spulen
kerns 2 liegt mit geringem Abstand der Anker 4 an, der ebenfalls am
Joch 3 anliegt, so daß der magnetische Kreis geschlossen ist.
Wenn die Spule 1 stromdurchflossen wird, baut sich darum ein
magnetisches Feld auf, wodurch ein magnetischer Strom in dem
vorbeschriebenen magnetischen Kreis fließt. Hierdurch wird der
Anker 4 an den Spulenkern 2 gezogen. Die durch diese Kraft hervor
gerufene Bewegung des Ankers 4 wird bekanntermaßen ausgenutzt,
um beispielsweise Kontakte zu öffnen oder zu schließen. Die in
diesem Bereich entstehende Kraft zwischen dem Spulenkern 2 und
dem Anker 4 ist daher Ziel der elektromagnetischen Anordnung.
Um zu verhindern, daß beim Beaufschlagen der Spule 1 mit Wechsel
strom durch Richtungsumkehr des Magnetfeldes entsprechend der
periodischen Spannungsumkehr an der Spule 1 die Haltekraft zwi
schen Spulenkern 2 und Anker 4 unterbrochen wird, ist der Spulen
kern 2 an seinem zum Anker 4 weisenden Ende als Spaltpolkern
ausgebildet, so daß sich zwei Pole 5 und 6 bilden. Der Pol 5 ist
vollständig von einem Kurzschlußring 7 umschlossen, dieser Pol 5 ist
nachfolgend als beschatteter Pol bezeichnet. Durch den Kurzschluß
ring 7 wird bekanntermaßen eine Phasenverschiebung des magneti
schen Flusses erreicht, so daß auch im Falle eines Richtungswechsels
des magnetischen Flusses stets sichergestellt ist, daß die Haltekraft
zwischen Spulenkern 2 und Anker 4 während des kurzzeitigen Null
durchgangs nicht aufgehoben ist.
Der Ring 7 hat in Draufsicht D-Form und ist in einer stirnseitigen
Nut 8 des Spulenkerns 2 eingelassen. Der Kurzschlußring 7 um
schließt den beschatteten Pol 5 über seinen gesamten Umfang und ist
mit deutlichem Abstand zum Anker 4 angeordnet, da die Tiefe der
Nut 8 größer ist als die Höhe des Kurzschlußringes 7.
Während der unbeschattete Pol 6 lediglich durch die Nut 8 vom
übrigen Spulenkern 2 getrennt ist, weist der beschattete Pol 5 eine
Abstufung 9 auf, so daß sich eine dem Anker 4 unmittelbar gegen
überliegende Stirnfläche 10 sowie eine dem Anker 4 mit Abstand
gegenüberliegende Stirnfläche 11 bildet. Die Stirnfläche 11 liegt
parallel zur Stirnfläche 10 im Bereich zwischen dieser und dem
Kurzschlußring 7. Durch diese Abstufung wird die eingangs erwähnte
Konzentration des magnetischen Flusses in diesem ankernahen Be
reich und damit die Kraftsteigerung erreicht. Dadurch, daß die Fluß
dichtensteigerung nur in einem relativ kurzen Bereich des Pols 5,
und zwar im Bereich zwischen Kurzschlußring 7 und Anker 4 erfolgt,
ist der magnetische Spannungsabfall durch den in diesem Bereich
höheren magnetischen Widerstand vergleichsweise gering.
Unabhängig von der Abstufung 9 kann der beschattete Pol 5 an
seiner stirnseitigen Umlaufkante mit einer Fügefase versehen sein.
Ebenso kann die Stirnfläche 12 des unbeschatteten Pols 6 durch eine
seitliche Abschrägung im Pol 6 gegenüber der dargestellten verklei
nert sein, wie dies auch schon nach dem Stand der Technik zur
Einstellung des magnetischen Flusses in diesem Bereich bekannt ist.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführung eines Spulen
kerns 2a. Der Spulenkern 2a ist ebenfalls im wesentlichen zylindrisch
ausgebildet, jedoch ist in der Stirnfläche des Spulenkerns 2a eine
ringförmige Nut 8a eingelassen, in der ein Kurzschlußring 7a liegt,
so daß ein ringförmiger, außenliegender und unbeschatteter Pol 6a
sowie ein konzentrisch dazu und davon eingeschlossener beschatteter
Pol 5a gebildet ist.
Eine Abstufung 9a ist bei dieser Ausführung durch eine zentrische
Sacklochbohrung 13 gebildet. Es ergibt sich somit eine Stirnfläche
10a des beschatteten Pols 5a, die deutlich kleiner als die Quer
schnittsfläche dieses Pols im Bereich des Kurzschlußringes 7a ist,
und zwar ebenfalls zur Erhöhung der magnetischen Flußdichte in
diesem Bereich. Die zurückliegende Stirnfläche des beschatteten Pols
5a ist mit 11a bezeichnet, die Stirnfläche des unbeschatteten Pols 6a
mit 12a.
Anhand der Fig. 6 und 7 ist eine alternative Verwirklichung der
Erfindung durch entsprechende Ausbildung des Ankers 4 (Varianten
B und C) dargestellt. Der Spulenkern 2b entspricht dem anhand der
Fig. 1 bis 3 dargestellten bis auf die fehlende Abstufung im
beschatteten Pol 5b. Der unbeschattete Pol ist mit 6b gekennzeichnet,
der Kurzschlußring mit 7b. Dieser Spulenkern 2b entspricht also dem
aus dem Stand der Technik bekannten.
Die Steigerung der Magnetflußdichte im Bereich zwischen den Polen
und dem Anker 4b bzw. 4c (alternativ) wird dadurch erreicht, daß
der Anker in seinem dem beschatteten Pol 5b unmittelbar gegenüber
liegenden Bereich in seiner wirksamen magnetischen Fläche kleiner
ausgebildet ist als die Stirnfläche 10b des beschatteten Pols 5b. Bei
der Ausführung B ist dies dadurch erreicht, daß in der zur Stirn
fläche 10b weisenden Stirnfläche 14 des Ankers eine Abstufung 15
vorgesehen ist. Bei der Ausführung C ist anstelle dieser Abstufung
15 der gesamte Anker 4c verkürzt ausgebildet, so daß er nur einem
Teil der Stirnfläche 10b des beschatteten Pols 5b gegenüberliegt. Mit
diesen alternativen Lösung können nicht ganz so hohe Steigerungen
in der Kraft zwischen Anker und Pol erreicht werden wie bei den
eingangs beschriebenen Ausführungsformen.
Claims (11)
1. Elektromagnetische Anordnung mit einer elektrischen Spule
(1), mit einem als Spaltpol ausgebildeten Spulenkern (2), dessen
einer Pol (5) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von einem
Kurzschlußring (7) umschlossen ist, mit einem dem Spaltpol gegen
überliegend angeordneten Anker (4) und mit einem den magnetischen
Kreis schließenden Joch (3), dadurch gekennzeichnet, daß der vom
Kurzschlußring (7) umschlossene Pol (5) zur Erhöhung der Flußdichte
zwischen Pol (5) und Anker (4) eine endseitige Stirnfläche (10) auf
weist, die kleiner als die Querschnittsfläche dieses Pols (5) im Be
reich des Kurzschlußringes (7) ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
vom Kurzschlußring (7) umschlossene Pol (5) stufenförmig ausgebil
det ist, so daß eine dem Anker (4) unmittelbar gegenüberliegende
endseitige Stirnfläche (10) sowie eine diesem mit Abstand gegenüber
liegende weitere Stirnfläche (11) gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die endseitigen Stirnflächen (10, 12) der beiden dem Anker (4)
gegenüberliegenden Pole (5, 6) nur durch die Ausnehmung (8) für
den Kurzschlußring (7) voneinander getrennt sind.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die endseitigen Stirnflächen (10a, 12a) der
beiden dem Anker (4) gegenüberliegenden Pole (5a, 6a) Ringflächen
sind.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spulenkern (2) bis auf den Kurzschlußring
(7) einstückig ausgebildet ist.
6. Elektromagnetische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der endseiti
gen Stirnfläche (10) des vom Kurzschlußring (7) umschlossenen Pols
(5) zur Gesamtquerschnittsfläche dieses Pols (5) kleiner oder gleich
0,7 ist.
7. Elektromagnetische Anordnung mit einer elektrischen Spule
(1), mit einem als Spaltpol ausgebildeten Spulenkern (2b), dessen
einer Pol (5b) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von einem
Kurzschlußring (7b) umschlossen ist, und mit einem dem Spaltpol
(5b, 6b) gegenüberliegend angeordneten Anker (4b oder 4c), dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker (4b oder 4c) im Bereich des unmittel
bar gegenüberliegenden vom Kurzschlußring (7b) umgebenen Pols
(5b) zur Erhöhung der Flußdichte zwischen Pol (5b) und Anker (4b,
4c) eine magnetisch wirksame Stirnfläche aufweist, die kleiner ist als
die endseitige Stirnfläche dieses Pols (5b).
8. Elektromagnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker (4b) eine erhabene wirksame Stirn
fläche (14) aufweist, die dem vom Kurzschlußring (7b) umschlosse
nen Pol (5b) gegenüberliegt und kleiner als die endseitige Stirnfläche
(10b) dieses Pols (5b) ist.
9. Elektromagnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker (4c) im Bereich des gegenüberliegen
den vom Kurzschlußring (7b) umschlossenen Pols (5b) derart endet,
daß seine diesem Pol (5b) gegenüber magnetisch wirksame Fläche
kleiner ist als die endseitige Stirnfläche (10b) dieses Pols (5b).
10. Spulenkern mit Spaltpol, dessen einer Pol (5) für die Umfas
sung mit einem Kurzschlußring (7) vorgesehen ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß dieser Pol (5) abgesetzt ausgebildet ist, so daß er eine
endseitige (10) und eine weiter zurückliegende (11) Stirnfläche auf
weist, wobei beide Stirnflächen (10, 11) zur selben Seite weisen.
11. Spulenkern nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis der endseitigen Stirnfläche (10) des vom Kurzschluß
ring umschlossenen Pols (5) zur Gesamtquerschnittsfläche (10 + 11)
dieses Pols (5) kleiner oder gleich 0,7 ist.
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