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Vielphasenrelais der Induktionsbauart mit einem Magnetsystem aus wenigstens
zwei Magneten, die durch Feldwicklungen erregt werden, die in Phase gegeneinander
verschobene Wechselströme führen und auf einen zwischen ihnen liegenden scheibenförmigen
Drehteil - durch den Teilphaseneffekt einwirken Die Erfindung betrifft ein Vielphasenwechselstromrelais
der Induktionsbauart. Relais der Vielphaseninduktionsbauart dienen zur Vberwachung
von Stromkreisen für elektrische Apparate und sind gewöhnlich dazu bestimmt, wahlweise
eine Anzahl von Kontakten durch Bewegung eines Drehscheibenteils oder -flügels zur
Wirkung zu bringen, der sein Drehmoment aus den magnetischen Feldern ableitet, die
durch zwei Feldwicklungen induziert werden, die in Phase gegeneinander verschobene
Wechselströme führen, so - daß der Drehteil oder Flügel durch die vielfach als Teilphaseneffekt
bezeichnete Wirkung in Tätigkeit gesetzt wird. Wenn entweder eine oder beide Feldwicklungen
aberregt sind, so wird das bewegliche Element oder der Flügel auf eine Mittel- oder
Neutralstellung durch Geg-en.gewicht- oder Federwirkung zurückgeführt. Das Drehmoment
zur Bewegung,des Drehteiles aus der Nullstellung zur einen oder anderen äußeren
Grenzlage muß ausreichen, um erstlich das Drehmoment des Gegengewichts ü: dgl. nebst
der Reibung zu überwinden und zweitens das Drehmoment, das sich aus der Beeinflussung
der Kontaktfedern ergibt. Der zweite Einfluß wächst mit der Durchbiegung der Federn;
infolgedessen kann das im Drehteil induzierte Drehmoment einen niedrigen Anfangswert
haben, der rasch anwächst, während das bewegliche Element nach einer der Grenzlagen
ausschwingt. Bei den gewöhnlichen Induktionsrelaisbauarten hat das durch Erregung
der Relaiswicklungen erzeugte Drehmoment für alle Winkelstellungen des Flügels oder
der Scheibe einen im wesentlichen gleichbleibenden Wert. Das ist deshalb unerwünscht,
weil das Drehmoment auf einen Wert unterhalb des Anfangswertes des Arbeitsdrehmomentes
sinken muß, bevor das Relais seine endgültige Aberregungsruhela;ggeeinnimmt; infolgedessen
kann eine Rückstellung des Relais auf die Ruhelage nicht durch eine Teilverminderung
der Energie bewirkt werden, die einer seiner Wicklungen zugeführt wird.
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Es hat sich gezeigt,, daß bei Aberregung einer der Relaiswicklungen
und Erregtbleiben der anderen Wicklung,der von -der erregten Wicklung erzeugte Kraftlinienfluß
eine magnetische Verzögerung oder Bremsung auf den Flügel oder Drehkörper ausübt,
die bestrebt ist, die Bewegtang des Drehteils in Richtung auf die Neutral- oder
Aberregungslage träge zu machen. Nun erweist .es sich bisweilen als zweckmäßig,
eine der Relaiswicklungen mit einer erheblichen Energie aus einer örtlichen Stromquelle
zu speisen, so daß eine kleine Menge gesteuerter Energie von entfernter Stelle aus
ein genügend großes
Drehmoment liefert, um das Relais zurr. Arbeiten
zu bringen. Bei der üblichen Relaisbauart macht die erwähnte magnetische Bremswirkung
des Kraftlinienflusses aus der ortserregten Wicklung des Relais bei der Rückkehrwirkung
sich in unerwünschter Weise verzögernd bemerkbar; sie kann sogar eine völlige Rückkehr
in die Nullage verhüten.
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Es sind nun bereits Relais der Ferraris-Scheibenbauart bekannt geworden,
bei denen die Scheibe eine besondere Form dadurch bekam, daß man ein Segment wegsehhtt,
derart, daß sie nur symmetrisch zum Mag etsystem ist, wenn sie sich in einer Mittellage
zwischen ihren beiden Grenzlagen befindet.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem Vie1-phasenrelais der Induktionsbauart
mit einem Magnetsystem aus wenigstens zwei Magneten, die durch Feldwicklungen erregt
werden, die in Phase gegeneinander verschobene Wechselströme führen und auf einen
zwischen ihnen liegenden scheibenförmigen Drehteil durch den Teilphaseneffekt einwirken,
die drehbare Scheibe so gestaltet und angeordnet, daß die Erregung nur eines Magneten
des Magnetsystems den Drehteil in eine Stellung zwischen seinen beirden Grenzlagen
zu drücken strebt und nur in dieser Zwischenstellung Symmetrie des Drehteiles in
bezug auf das :Magnetsystem vorhanden ist.
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In der Zeichnung ist Abb. i eine schematische Seitenansicht des gemäß
der Erfindung gestalteten Drehflügels sowie eine vereinfachte Darstellung ider Kontakte
und Kontaktbewegungsmittel nebst einem Querschnitt durch den Magnetfeldaufbau nach
Linie i-1 der Abb. 2, in Pfeilrichtung .gesehen.
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Abb.2 ist ein wagerechter Schnitt durch den Relaisflügel und durch
den Feldaufbau nach Linie 2-2 in Abb. i, in Pfeilrichtung gesehen.
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Abb.3 ist eine Vorderansicht des Relaisflügels, von einer Ebene aus
gesehen, die durch den Luftspalt geführt ist, wobei die Blickrichtung die gleiche
ist wie an der Schnittlinie i-i der Abb. 2.
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Abb. q. ist eine entsprechende Darstellung von einer durch den Luftspalt
geführten Ebene aus, jedoch in der Blickrichtung der Abb.3 entgegengesetzter Richtung
gesehen.
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Nach Abb. i und 2 weist das Relais gemäß ;ler Erfindung einen Flügel
oder eine Scheibe auf, die auf ,einer in nicht dargestellten Lagern drehbaren Welle
2 befestigt ist, derart, daß die Scheibe i in einer zur Welle 2 rechtwinkligen Ebene
zu schwingen vermag. Die We71e ruht in sehr leichten Lagern, z. B. Edelsteinlagern
bekannter Art, so daß die Scheibe leicht und mit äußerst geringer Reibung schwingen
kann. Die Scheibe besteht aus einem dünnen Blatt leichten elektrisch lei tenden
Stoffes,. vorzugsweise Aluminium, unc besitzt die in den Zeichnungen dargestellt
Gestalt, die sich von der gewöhnlichen Kreis scheibenbauart grundsätzlich insofern
unter scheidet, als ein Teil des unteren Rande: weggeschnitten ist, so daß eine
Flachseite entsteht, die wagerecht angeordnet ist, wenn die Scheibe sich in der
Nullstellung in Abb. i befindet. Der obere Rand der Scheibe ist sc gestaltet, daß-der
Schwerpunkt unter der Dreh achse liegt, wenn sich die Scheibe in der Nullstellung
befindet. Infolge dieser Anordnung kann die Scheibenmasse selbst als Gegengewicht
wirken, so daß sie die Schaufel in die Nullstellung zurückzuführen sucht, oder es
können auch zusätzliche Gegengewichte Anwendung finden.
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Das Felid wird durch zwei lamellierte Eisenkerne q. und 9 (Abb. 2)
gebildet. Der Kern 4 hat zwei Schenkel, die in den Polstücken 5 und 6 endigen und
die zwei Wicklungen 7 tragen. Der Kern 9 hat drei Schenkel mit den Polstücken io,
i i und 12. Der Mittelschenkel trägt die Wicklung 13, wie deutlich aus Abb. 2 erkennbar
ist. Die Kerne ¢ und 9 und die Polstücke 5, 6, 1 o, i i, 12 sind symmetrisch zueinander
und zu einer senkrechten Ebene durch die Drehachse der Scheibe i angeordnet und
liegen so zueinander, daß die Flächen der Polstücke parallel zur Scheibe und in
ihrer unmittelbaren Nähe liegen, so daß ein Luftspalt entsteht. Die Magnetkerne
liegen so, daß die Scheibe in ihrer Ruhelage ein wenig über die Hälfte der Fläche
jedes der Polstücke 5, 6, io, 11, 12 hinausragt.
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Zum öffnen und Schließeader elektrischen Kreise nach Maßgabe der Bewegung
der Scheibe i können beliebig geeignete Einrichtungen Anwendung finden, beispielsweise
ist nur in der Zeichnung (Abb. i) eine Kurbel 14 dargestellt, die auf die Welle
:2 aufgestiftet ist und an deren freiem Ende eine Zwischenstange 15 angreift. Eine
Querstange 16, die bei 17 drehbar ist, ist gelenkig mit der Stange 15 verbunden.
Die Stange 16 trägt Isolierklötze 18, an denen Kontaktarme i9 mit federnden Kontaktfingern
2o und Kontaktspitzen 2i befestigt sind; die mit festen Kontakten 22 zusammenarbeiten.
Die festen Kontakte 22 und die beweglichen Kontaktspitzen 21 können so angeordnet
sein, daß sie in verschiedenen Stellungen der Scheibe i verschiedene Stromkreise
schließen. Im besonders dargestellten Falle sind einige Kontakte in der Nullstellung
der Scheibe i geschlossen. Andere dagegen werden geschlossen, wenn sich die Scheibe
in einer der anderen Arbeitsendstellungen befindet.
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Das Drehmoment zur Verschwenkung der
Scheibe i und
demnach zur Einwirkung auf die Kontakte wird durch ein verschwenkendes Magnetfeld
im Luftspalt erzeugt. Die Feldwicklungen 7 des Kernes 4 und die Feldwicklung i3
des Kernes 9 werden mit getrennten Ilberwachungsströmen gespeist, die in Phase gegeneinander
verschoben sind, so daß sie so nahe wie möglich in Ouadratur sind. Der Kraftlin.ienfluß
in den Kernen d. und 9 aus diesen gegeneinander verschobenen Wechselströmen erzeugt
ein Feld, das sich längs der Ebene der Scheibe i verschiebt und ein Drehmoment darin
nach den bekannten Gesetzen der elektromagnetischen Induktion. erzeugt; die Richtung
des Drehmomentes hängt von der Beziehung zwischen der augenblicklichen Polarität
der Ströme in den Feldwicklungen 7 und 13 ab. Es ist klar, daß die Bewegungsrichtung
der Scheibe durch Umkehrung der zeitweiligen Polarität der Wechselströme umgekehrt
werden kann, die entweder den Wicklungen 7 oder der Wicklung 13 zugeführt wird,
und daß die Aberregung einer oder beider Wicklungen zu einer Verminderung des Drehmomentes
in der Relaisscheibe führt.
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Es sei nunmehr besonders die elektromagnetische Rückführeigenschaft
betrachtet, die einen wesentlichen Teil der Erfindung bildet. Angenommen, die Scheibe
i ist in ihrer äußersten Arbeitslage, wie sie in punktierten Linien in Abb. 3 gezeichnet
ist, und die Wicklung 13 des Kernes 9 werde aberregt, während die Wicklung 7 des
Kernes q. noch unter Strom steht. Unter dieser Voraussetzung wirkt eine elektromagnetische
Kraft auf die Scheibe i, die bestrebt ist, die Scheibe in ihre Nullage zu bringen.
Diese Wirkung läßt sich durch die Theorie erklären, daß auf die Scheibe i eine Kraft
einwirkt, die der bekannten Ausblasekraft entspricht, die den Versuch begleitet,
ein Blatt von elektrisch leitendem Stoff in ein magnetisches Wechselfeld einzuführen.
Da sich die größte Fläche der Scheibe i oberhalb der Mitte der Polstücke 5 und 6
befindet, so wird diese Kraft aus dem Kraftlinienfluß der Pole bestrebt sein, die
Scheibe nach oben und aus dem Felde herauszudrängen, wobei der Kraftlinienfluß aus
dem Polstück 5 eine Versch-,venkung in einem Sinne entgegen der Uhrzeigerbewegung
herbeizuführen sucht, die Einwirkung vom Polstück 6 aus in der Richtung des Uhrzeigersinnes,
so daß ein Moment in bezug auf die Achse a erzeugt wird. Da ein größerer Flächenteil
der Scheibe i sich im Wege der Kraftlinien des Polstückes 6 befindet, als im Wege
der Kraftlinien des Poles 5, so wird die Wirkung des Polei 6 vorherrschen. Die Scheibe
wird im Simse der Uhrzeigerbewegung verschwenkt werden, bis die Wirkungen aus den
beiden Polen einander genau das Gleichgewicht halten, was offenbar nur dann der
Fall ist, wenn gleiche Flächen beider Pole von der Scheibe bedeckt werden. Da die
Pole symmetrisch gegenüber der senkrechten Ebene durch die Drehachse angeordnet
sind, ist klar, daß die erwähnte Kraft die Scheibe in ihre Nullage zu bringen sucht
und versucht, sie in dieser Stellung zu halten, so daß eine verzögerte Rückführung,
ferner ein--Stehenbleiben in verschwenkter Lage oder ein Schwingen der Scheibe und
ein daraus folgendes kurzzeitiges Öffnen und Schließen der Relaiskontakte bei Aberregung
einer der Wicklungen verhütet wird.
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Aus der Betrachtung der Abb. 4 ergibt sich, daß bei Erregung der Wicklungen
7 und Erregthalten der Wicklung 13 ein Rückstellmoment in gleicher Weise erzeugt
wird, wie es in bezug auf Abb. 3 erläutert wurde. Die beiden - Pole io und 1a zusammen
mit den beiden Hälften des Poles i i des Kernes 9 erzeugen zwei entgegengesetzt
gerichtete Kräfte, deren eine so lange vorherrscht, bis die Scheibe in eine Lage
gelangt, in welcher gleiche Flächen der Pole beiderseitig einer senkrechten Ebene
durch die Drehachse von der Scheibe i bewegt werden; das ist aber nur in der Nullstellung
des Relais der Fall.
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Eine andere Erläuterung der Rückstellwirkung durch Aberregung nur
einer der Relaiswicklungen läßt sich auch aus dem wohlbekannten Prinzip geben, daß
jede elektrische Einrichtung eine Lage anzunehmen sucht, in der ihre Verluste ein
Mindestmaß betragen. In dem Relais gemäß der Erfindung sind die veränderlichen Verluste,
die vorhanden sind, wenn eine Wicklung allein unter Strom ist, hauptsächlich bedingt
durch Wirbelstromverluste in der Scheibe i, und da diese Wirbelstromverluste auf
ein Minimum gelangen, wenn eine Mindestfläche der Scheibe sich im Wege des Wechselmagnetflusses
aus dieser Wicklung befindet, d. h. wenn die Scheibe in der neutralen Lage ist,
so sucht die Scheibe diese Neutrallage bei _ Erregung nur einer der beiden Wicklungen
anzunehmen.
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Das Rückführmoment, das erzeugt wird, wenn nur eine Relaiswicklung
unter Strom steht, ist eine sehr wünschenswerte Eigenschaftbeieiner Relaiskonstruktion.
Es ist oft bei Streckenrelais erwünscht, eine große Energiemenge an einer der Relaisphasenwicklungen
anzuwenden, damit eine kleine Menge gesteuerter Energie der anderen Phasenwicklungen
ein genügend großes Drehmoment ergibt, um die Kontakte zur Wirkung zu bringen. Bei
der gewöhnlichen Bauart von Induktionsrelais nimmt das Relais
nach
Abschalten der Steuerenergie seine Aberregungslage sehr langsam infolge der magnetischen
Bremsung ein, die der Kraftlinienfluß der stark erregten Wicklung auf die Scheibe
ausübt. Bei dem Relais gemäß der Erfindung sucht der Kraftlinienfluß aus der stark
erregten Wicklung die Scheibe rasch in die Nullage nach Aberregung der leicht erregten
Wicklung zurückzuführen und macht somit das Relais zu einem schnell wirkenden, womit
die Notwendigkeit beseitigt wird, kräftige mechanische Rückführeinrichtungen vorzusehen.
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Bei Relais der üblichen Induktionsbauart ist in der Praxis beobachtet,
daß eine kleine Abweichung von der völlig symmetrischen Bauart der Polstücke oder
Kerne jede Veränderung in der Länge der Luftspalte oder eine Kurzschlußwicklung
ein Drehmoment im Relais erzeugt, wenn eine der Wickluhgen allein erregt wird. Dieses
Drehmoment verursacht ein Schleichen der Relaisscheibe, d. h. eine langsame Herausbewegung
aus der Nullstellung, wenn nur eine der Relaiswicklungen erregt wird, und kann zu
einem unrichtigen Öffnen der Nullkontakte führen oder dazu, daß das Relais aus der
Erregungslage nicht in die 1INTullage fallen kann. Bei dem Scheibenrelais gemäß
der Erfindung überwindet die elektromagnetische Rückführwirkung, die oben beschrieben
wurde, diesen störenden Schleichgang, weil die Scheibe in die Nullage durch Erregung
nur einer der Wicklungen verschwenkt und in ihr gehalten wird; die Scheibe hat das
Bestreben, in dieser Nullage so lange zu bleiben, bis beide Relaiswicklungen erregt
werden.
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Wie erwähnt, ist das Arbeits- oder Lastmoment bei Vielphasenrelais
der Induktionsbauart nicht konstant, während sich das Relais aus der Nullage in
die äußerste Erregungslage bewegt. Die Last besteht im Anfang nur aus dem Gegengewicht
allein; wenn aber der Drehwinkel wächst, so wächst auch das Lastmoment rasch durch
Rückwirkung der durchgebogenen Kontaktfedern. Bei den gewöhnlichen Vielphaseninduktionsrelais
ist das Relaismoment, d. h. das von den Relaiswicklungen erzeugte Moment, wesentlich
konstant für sämtliche Winkellagen der Scheibe, und es muß somit, wenn das Relais
aus der Nullage in Gang gesetzt wird, stark genug sein, das Maximallastmoment zu
überwinden, das erst auftritt, wenn sich die Scheibe in der äußersten Erregungslage
befindet. Das führt dazu, daß den Relaiswicklungen eine Energiemenge zugeführt werden
muß, die wesentlich größer ist, als es erforderlich ist, um die Scheibe den ersten
Teil ihrer Winkeldrehung aus der Nullage in die Erregungslage durchlaufen zu lassen.
Bei dem Relais gemäß der Erfindung führt die Flachseite oder der abgeschnittene
Teil der Scheibe i zu einem Relaisdrehmoment, das in der gleichen Weise anwächst
wie das zu überwindende Lastmoment. Da das erzeugte Moment wächst, wenn mehr leitendes
Material in das verschwenkende Magnetfeld gebracht wird, und da bei einem in Nullage
befindlichen Relais eine Mindestfläche der Scheibe i sich in der Bahn des verschwenkenden
magnetischen Feldes befindet, das durch die Feldwicklung erzeugt wird, entsteht
in dieser Lage ein Mindestmoment für dieses Relais. Schwingt aber die Scheibe nach
der Erregungslage zu, so wächst die Scheibenfläche in der Bahn des Feldes rasch
an, und entsprechend wächst das Drehmoment. Somit ist klar, daß die Beziehung zwischen
Relaismoment und Winkellage der Scheibe der Beziehung von Lastmoment und Winkelstellung
der Scheibe entspricht, und infolgedessen wird auch eine kleine Verminderung der
Energiezufuhr zum Relais, das in seiner äußersten Erregungslage ist, zu einem völligen
Rückfallen der Scheibe in die Neutrallage führen.
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Es sei bemerkt, daß das Rückführmoment und das Anlaßmoment eines Relais
gemäß der Erfindung von den Relativlagen des weggeschnittenen Teiles der Scheibe
und dem Feldaufbau abhängen. Wächst die Fläche der von der Scheibe in der Neutrallage
bedeckten Polstücke, so befindet sich ein größerer Teil leitenden Stoffes in der
Bahn des treibenden Kraftlinienflusses, den das Feld erzeugt, und das Anlaßmoment
wächst infolgedessen an, während das Rückführmoment abnimmt. Wenn dagegen die Fläche
der Polstücke, die von der Scheibe bedeckt wird, abnimmt, so wächst das Rückführmoment,
und das Anlaßmoment -nimmt ab. Infolgedessen können die Relativlagen, von Scheibe
und Feld gebildet, verändert werden, um das Relais auf die besonderen Arbeitsbedingungen
einzustellen, unter denen es benutzt werden soll.