DE663024C - Anordnung zur Beseitigung stoerender Wirkungen des remanenten Magnetismus bei Elektromagneten von Relais, Messinstrumenten, Maschinen o. dgl. - Google Patents

Description

Bei vielen elektromagnetischen Vorrichtungen, z. B. Relais, Meßinstrumenten, Maschinen u. dgl., die mit Weicheisenteilen versehen sind, soll der Induktionsfluß an bestimmten Stellen dieser Vorrichtungen eine eindeutige Funktion eines willkürlich veränderlichen Stromes, sein.

Bei Gleichstrommaschinen wird z. B. für bestimmte Zwecke angestrebt, daß der den Anker durchsetzende Teil des vom Erregerstrom erzeugten Flusses eindeutig vom Erregerstrom abhängig ist. Bei neutralen und polarisierten Gleichstromrelais soll der Fluß im Arbeitsluftspalt eindeutig vom Steuerstrom abhängen. Dies soll ebenfalls bei Weicheisenmeßinstrumenten für Gleich- und für Wechselstrom der Fall sein.

Die Anforderungen sind bei den einzelnen Vorrichtungen verschieden. Bei Gleichstromrelais ist z. B. die Eindeutigkeit nur für einen kleinen Strombereich, und zwar für die Gegend des Ansprechstromes von Bedeutung. Bei Gleichstrommaschinen ist für einen großen Strombereich Eindeutigkeit erwünscht.

Die Anforderungen sind auch in anderer Hinsicht verschieden. Es wird häufig Eindeutigkeit nur bei langsamen Stromänderungen verlangt, d. h. es können die Wirkungen von Wirbelströmen vernachlässigt werden, und die magnetischen Widerstände der Eisenwege sind dann reell und frequenzunabhängig. Bei schnellen Stromänderungen, z. B. bei Wechselstromweicheiseninstrumenten, sind jedoch die magnetischen Widerstände der Eisenwege als komplexe Größe einzusetzen.

Die Hysteresis des Eisens verhindert die gewünschte Eindeutigkeit und bewirkt eine mehrdeutige Funktion, d. h. es wird die Arbeitsgenauigkeit durch die remanenten Flüsse beeinträchtigt.

Zur Beseitigung des remanenten Magnetismus ist es bei Gleichstromgeneratoren bekannt, auf dem Magnetgestell von einem Hilfswechselstrom durchflossene Hilfswicklungen derart anzuordnen, daß sich der vom Wechselstrom erzeugte Kraftlinienfluß innerhalb des Magnetgestelles schließt. Diese Anordnung hat den grundsätzlichen Nachteil, daß der Wickelraum für die Erregerwicklung durch die Hilfswicklung beträchtlich eingeschränkt wird und für die Lieferung des Wechselstromes eine besondere Stromquelle

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr,-Ing. Waller H ähnle in Berlin-Siemens Stadt.

erforderlich ist. Außerdem wird der störende Einfluß des vom Ankereisen hervorgerufenen remanenten Flusses überhaupt nicht vermindert. Eine erhebliche Rolle spielt auch die Gefahr, daß der Wechselfluß in unerwünschter Weise in den Anker hineinstreut und dadurch weitere Störungen hervorruft.

An sich sind zwar für Elektromagnetanordnungen bereits magnetische Nebenwege für ίο den Arbeitsluftspalt bekannt, jedoch dienen diese einem grundsätzlich anderen Zweck, nämlich einer einstellbaren Schwächung des Flusses im Arbeitsluftspalt oder bei Anbringung von Kurzschlußwicklungen auf dem i"5 Eisen des Nebenweges der zeitlichen Beeinflussung des Flußverlaufs im Arbeitsluftspalt. Außerdem wird für diese Nebenschlüsse möglichst weiches Eisen verwendet, während gemäß der Erfindung in dem Hilfsweg magnetisierbare Teile hoher und in bestimmter Weise bemessener Koerzitivkraft angeordnet sein sollen.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, den remanenten Fluß von Elektromagneten durch den Fluß eines fest mit dem weichen Eisen verbundenen permanenten Magneten aufzuheben. In der bekannten Ausführung wird auch der magnetische Fluß des permanenten Hilfsmagneten durch einen von Hand einstellbaren Nebenschluß regelbar gemacht. Sowohl der permanente Hilfsmagnet als sein Nebenschluß aus weichem Eisen bilden aber gleichzeitig einen magnetischen Nebenschluß für den Elektromagneten und haben daher einen erhöhten Stromverbrauch des letzteren zur Folge. Auch ist der magnetische Zustand des permanenten Magneten der Beeinflussung durch den Elektromagneten ausgesetzt und daher einer Ent- bzw. Ummagnetisierung unterworfen. Je größer der Strom des Elektromagneten sein wird, je größer also sein remanenter Fluß, desto kleiner wird im Laufe der Zeit der vom permanenten Magneten erzeugte Gegenfluß.

Es kann vorkommen, daß bei magnetischen Anordnungen die Magnetisierung mit Strömen verschiedener Richtung erfolgt. Bei polarisierten Relais ist das sogar die Regel. Die Kompensation des remanenten Flusses durch - permanente Magnete muß aber in ..: diesem Fall vollständig versagen. Wenn nämlich der letzte magnetisierende Stromstoß der Arbeitswicklung· im Sinne des permanenten Magneten erfolgt, so wird. der remanente Fluß mindestens auf den doppelten normalen Wert steigen, anstatt kompensiert zu· werden. Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch in vollkommener Weise gelöst, daß ein vom'Arbeitsluftspalt abgezweigter, von einem Teil des veränderlichen Flusses durchsetzter magnetischer Hilfsweg vorgesehen ist, der aus magnetisierbaren Teilen besteht. Gegenüber der oben beschriebenen bekannten Anordnung für Gleichstromgeneratoren hat diese Anordnung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß keine zusätzlichen Stromquellen für die Beseitigung der Störwirkungen des remanenten Flusses erforderlich sind und die Größe der Kompensationsspannung sich jeweils zwangsläufig in Ab- hängigkeit von der Stärke der veränderlichen Erregung ändert. Vor allem wird auch die Remanenz der magnetisierbaren Teile des Ankers berücksichtigt.

Der magnetische Hilfsweg gemäß der Erfindung kann in verschiedener Weise gestaltet sein. Er kann aus einem einzigen Stück magnetisierbaren Materials mit den notwendigen Luftspalteri bestehen, oder es können auch mehrere verschieden magnetisierbare Teile hintereinandergeschaltet sowie besondere Magnetwicklungen angeordnet sein. Die Erfindung kann angewendet werden für alle elektromagnetischen Vorrichtungen, die veränderlichen Erregungen ausgesetzt werden, insbesondere für Relais, Meßinstrumente und Maschinen..

In den beiliegenden Figuren sind zwei Beispiele der Erfindung dargestellt, und zwar für die Anwendung bei polarisierten TeIegraphenrelais in Fig. 1 bis 5 und für die Anwendung bei elektrischen Maschinen in Fig. 6 und 7.

In der Fig. 1 ist ein polarisiertes Relais schematisch dargestellt, bei dem die remanenten Flüsse durch einen magnetischen Hilfsweg kompensiert werden. Die Spulen 1 und 2 werden z. B. von dem Steuerstrom so durchflossen, daß an dem linken Polschuh ein Nordpol und an dem rechten Polschuh ein Südpol entsteht; diese Bolung wird durch iV und 5 in der Fig. 1 angedeutet, so daß nach Abschalten des Steuerstromes ein remanenter Fluß in Richtung des gezeichneten Pfeiles besteht. Der Einfachheit halber sind bei dieser Betrachtung die magnetischen Verhältnisse des polarisierten Relais an sich fortgelassen. Der magnetische Hilfsweg gemäß der Erfindung wird von den Teilen 3, 4 und 5 gebildet, wobei die Teile 3 und 5 unter Bildung je eines Luftspaltes an den Polschuhen angebracht sind. Die Luftspalte w_a und Wj, sind deswegen vorgesehen, um einen magnetischen Kurzschluß oder eine wesentliche Schwächung des Feldes im Arbeitsluftspalt zv_c zu vermeiden. Während der Zeit, in der die Spulen 1 und a von dem Steuerstrom durchflossen werden, geht ein Teil des steuernden Flusses von dem durch die Erregung entstandenen Nordpol über das Ansatzstück 3 durch den Teil 4 und 5 nach dem Südpol, so daß der Teil 4 so magnetisiert wird, daß an der Seite

von 3 ein Südpol und an der Seite von 5 ein Nordpol entsteht. Der Teil 4 besteht aus magnetischem Material hoher Koerzitivkraft, so daß die ihm aufgedrückte Polarität in hohem Maße erhalten bleibt. Nach Abschalten des Steuerstromes wird sich somit über die Teile des Hilfsweges ein magnetischer Hilfskreis ausbilden; der Teil 3, 4, 5 und über den Arbeitsluftspalt zurück nach Teil 3 verläuft, wie in der Fig. 1 mit dem punktierten Pfeil angegeben ist. Der in dem Teil 4 erzeugte remanente Fluß dieses magnetischen Hilfskreises ist somit dem remanenten Fluß des Arbeitsluftspaltes entgegengesetzt und hebt diesen auf, so daß stets eine nahezu vollständige Kompensation vorhanden ist.

Bezüglich der Auswahl des magnetisierbaren Materials und der Bemessung der Teile für den magnetischen Hilfskreis sind folgende Zusammenhänge zu beachten:

Zeichnet man sich für sehr verschiedene magnetische Werkstoffe, z.B.für Kobaltstahl, für Weicheisen, für Permalloy, die Magnetisierungskurven in einem jedem Werkstoffe angepaßten Maßstabe auf, d. h. BjBr als Funktion H/Hc, so zeigt sich, daß diese Kurven durchweg sehr ähnlich verlaufen und in dem Gebiet zwischen H=O und B = O, d. h. im Sättigungsgebiet, wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, beinahe zusammenfallen. Mit Br wird die Remanenz und mit Hc die Koerzitivkraft bezeichnet. In erster Näherung kann man annehmen, daß die verwendeten magnetischen Werkstoffe geometrisch ähnlich seien, d.h. die KurvenBfBr als Funktion vonHjHc für alle Schleifen übereinstimmen. Man wählt nun in Anlehnung an obige Darstellung zweckmäßig als magnetisierbares Material für den magnetischen Hilfsweg solches, dessen Verhältniskurve sich mit der des Materials des Relais deckt, um damit zu erreichen, daß bei jeder Erregerstufe des Relais die Remanenzen im Steuerkreis und im Hilfskreis gleiche Größe haben. Auf diese Weise erhält man eine stets gleichwertige Kompensation. Im folgenden werden Hinweise zur Berechnung eines magnetischen Hilfskreises zur Kompensation der remanenten Flüsse gegeben. Die Fig. 3 und 4 zeigen das magnetische Schaltbild für ein Relais, das mit einem magnetischen Hilfskreis, wie in Fig. 1 gezeigt, versehen ist. Ms bezeichnet die magnetomotorische Kraft der Steuerquelle, d. h. der Relaisspule. W₁ ist der magnetische Widerstand der Eisenteile 1 des Steuerkreises, w_a ist ein Hilfsluftspalt zwischen den Polschuhen ι und den Hilfsbacken 3 und 5. zv_h ist der magnetische Widerstand des Luftspaltes zwischen dem Kompensationsmagneten 4 und den Hilfsbacken 3 und 5. w_s ist der magnetische Widerstand des Kompen* sationsmagneten 4, w_c der magnetische Widerstand des Arbeitsluftspaltes 6 des Relais, W₃ der magnetische Widerstand im Magnetanker selbst. Br₁, Br₂, Br₄₁ seien die Remanenzen in den einzelnen Kreisen, I₁J₂, /₃ die Längen und Q₁, Q₂, Q₃ die Querschnitte der Eisenteile. Mit Φ_υ Φ₂, Φ₃ mögen die Flüsse; mit Mr₁, Mr₂, Mr₃ die magnetomotorischen Kräfte der Hysterese bezeichnet sein. Es ist also: (P₁ = Fluß im Weg ABC, Φ, = Fluß im Weg ADB und <P,= Fluß im Weg AB.

Es sind folgende Zustände zu betrachten:

Zustand I: Die magnetomotorische Kraft Ms der Steuerquelle (Spule) ist Null, ebenso sind auch alle magnetomotorischen Kräfte, die durch die Remanenz entstehen, gleich Null, d. h. die Eisenteile sind entmagnetisiert.

Zustand II und III: Wird nun der Steuerstrom eingeschaltet, d. h. die magnetomoto- - rische Kraft Ms > ο gemacht (Zustand 11) und hierauf der Steuerstrom wieder abgeschaltet (Zustand III), so ist Ms = o, jedoch sind die durch die Remanenz hervorgerufenen magnetomotorischen Kräfte Mr₁, Mr₂, Mr₃ nicht mehr Null. Die durch Mr₁, Mr₂, Mr₃ im Arbeitsluftspalt erzeugten Flüsse sollen durch die Anordnung des magnetischen Hilfsweges kompensiert werden. Es soll also z. B., wenn die magnetomotorische Kraft ihr Vorzeichen umkehrt, d. h. also der Strom in der Steuersp'ule des Relais umgepolt wird und Ais wieder Null geworden ist, der Fluß im Arbeitsluftspalt ebenfalls Null sein. Diese Aufgabe ist nur erfüllbar, wenn die Kurven BjBr = Funktion von H/Hc für sämtliche Hystereseschleifen der benutzten Eisenlegierungen zusammenfallen. Dies trifft, wie bereits erwähnt, nur angenähert zu. Trotzdem ist es möglich, eine Kompensation von 70 bis 9O°/₀ des ursprünglichen Fehlers zu erreichen.

Denkt man sich am Verzweigungspunkt B von Fig. 3 drei gleich große magnetomotorische Kräfte M₄ in' die drei von B ausgehenden Wege eingefügt, in Fig. 4 gestrichelt, so ändern sich die Flüsse nicht. Wir machen M₄ gleich groß und entgegengesetzt wie Mr₃. Es heben sich dadurch die magnetomotorischen Kräfte in der Diagonale heraus, und es läßt sich die Gleichgewichtsbedingung einfach ablesen. Wenn die von den verschiedenen magnetomotorischen Kräfte der Hysterese, d. h. Mr₁, Mr₂, Mr_t, in der Diagonale erzeugten Flüsse sich gegenseitig aufheben sollen, so muß nach Fig. 3 sein (Mr₁ + Mr₃) : (Mr₂-Mr₃) = (^ + W₁) : (w_b + w₂).

Diese Gleichung gilt unabhängig von der Größe Ms. Die folgenden Beziehungen zwischen den Widerständen und den magnetomotorischen Kräften der Hysterese werden aus dem Zustande Ms ~ Mr gewonnen. Dabei ist für diesen Zustand angenommen, daß

die Flüsse Φ_ν Φ.,, Φ₃ nur von Ms und den Widerständen abhängen. Damit ergeben sich die Gleichungen:

Φ₂:Φ₃ =

Mr₁: Mr₂: Mr₃ = ((P₁W₁) :

: (Φ₃

ίο Hieraus kann man dann die Abmessungen der Teile für den magnetischen Hilfsweg berechnen. An Hand der in Fig. 5 gezeigten Kurven sollen die Vorteile der Anordnung eines magnetischen Hilfskreises zur Kompensation der remanenten Flüsse bei einem polarisierten Relais mit magnetischem Hilfskreis gegenüber einem polarisierten Relais ohne magnetischen Hilfskreis gezeigt werden. Das Relais wurde bei einer bestimmten Betriebserregung neutral eingestellt und ■ dann ungefähr 3 Sekunden lang mit einem vorher eingestellten Störstromstoß erregt und hierbei die entsprechenden Verzerrungen gemessen. Da die Störerregung höher war als die betriebsmäßige Erregung, bleibt eine Koerzitivkraft zurück, welche eine einseitige Verzerrung bzw. Verschiebung des Ankers aus der Neutrallage hervorruft. Bei der Messung der Verzerrung als Funktion

der Störerregung wurde die Reihenfolge der Störstöße ähnlich wie die Feldänderung bei der Aufnahme von Hystereseschleifen gewählt. Die auf diese Weise erhaltene Kurve I steht im Zusammenhang mit dem remanenten Fluß als Funktion der vorhergegangenen Erregung und zeigt somit äußerlich Ähnlichkeit mit einer Hystereseschleife. Diese Verzerrung eines Relais mit einem normalen Relaiskern aus Armcoeisen ohne Anordnung eines magnetischen Hilfskreises zur Kompensation der remanenten Flüsse zeigt Kurve I. Die Kurve II zeigt die Verzerrung desselben Relais mit Anordnung eines magnetischen Hilfskreises, der aus Teilen von 35°/o unge» härtetem Kobaltchromstahl besteht.

In dem vorliegenden Falle konnten somit durch die Anordnung des magnetischen Hilfskreises die Verzerrungen von 8,5 °/₀ auf 2°/₀ herabgesetzt werden. Es ist vorteilhaft, für den magnetischen Hilfskreis neue Sorten, welche Permalloy- oder Perninvarcharakter haben, zu verwenden. Durch Parallelschalten von mehreren Teilen mit verschiedenen Abmessungen und verschiedenen Luftspalten innerhalb des magnetischen Hilfskreises kann die Kompensation noch wesentlich verbessert werden.

Fig. 6 und 7 zeigen die Anwendung der Erfindung für eine elektrische Maschine.

Der Stator besteht im wesentlichen aus dem ringförmigen Joch7 und den Polschuhen P, auf denen die Erregerwicklungen E angeordnet sind. Der Rotor R besteht aus einem Trommelanker, dessen Wicklungen nicht dargestellt sind. Der durch die Erregerwicklung £ erzeugte Fluß tritt über die Luftspalte L₁ von den Polschuhen P auf den Anker R über.

Es sei angenommen, daß die dargestellte Maschine ein Gleichstromgenerator ist, dessen Spannung zwischen einem positiven Wert, z. B. + 220 V, über Null hinweg auf negativen Wert, beispielsweise — 220 V, geregelt werden soll. Dabei ist im allgemeinen infolge der Remanenz der Erregerfluß nicht gleich Null, wenn der Erregerstrom auf Null eingestellt wird. Auch wenn bestimmte Zwischenwerte der Spannung eingestellt werden sollen, hängt die Größe des dazu erforderlichen Erregerflusses ganz davon ab, wie Richtung und Größe des zuvor eingestellten Erregerflusses waren.

Diese Schwierigkeiten lassen sich nach der Erfindung durch die magnetischen Hilfswege H beseitigen, die über die Luftspalte L₂ von den Arbeitsluftspalten L₁ abgezweigt sind. Diese Hilfswege enthalten magnetisierbare Teile mit einer derart bemessenen Koer» zitivkraft, daß jeweils bei einer Änderung des Erregerflusses die von der Remanenz der magnetisierbaren Teile des Hauptweges herrührende magnetische Teilspannung durch eine von den magnetisierbaren Teilen des Hilfsweges H gelief erte entsprechende magnetische Hilfsspannung in den Arbeitsluftspalten L₁ annähernd kompensiert wird. Insbesondere läßt sich erreichen, daß der Erregerfluß und damit auch die Generatorspannung zugleich mit dem Erregerstrom durch Null hindurchgeht.

Wenn der magnetische Widerstand des Ankers R nicht genügend klein ist im Vergleich zu dem magnetischen Widerstand der Polschuhe P und des Joches J, so können an geeigneter Stelle, beispielsweise zwischen den Polschuhen P und dem Jochring /, Luftspalte angeordnet sein.

Das magnetische Prinzipschaltbild der besprochenen Maschine ist in Fig. 7 dargestellt. Mit Me ist die von den Erregerwicklungen erzeugte magnetomotorische Kraft bezeichnet, im die in der Pfeilrichtung einen magnetischen Fluß bestimmter Größe erzeugt. Der magnetische Hauptweg enthält die magnetischen WiderständeW₁, W₂, W_s und W₄, von denen W₁ den Widerstand des Joches /, W_s den Widerstand der Polschuhe P, W₃ den der Anker luftspalte L₁ und W₄, den Anker R darstellt. Der vom Arbeitsluftspalt abgezweigte Hilfsweg enthält die magnetischen Widerstände W_s der Luftspalte L₂ und W_e der Hilfsmagneten H. Bei Abschaltung der Erreger» spannung bleiben als magnetische Spannungs-

quellen die von der Remanenz herrührenden magnetomotorischen Kräfte Mr₁, Mr₂ und Mr₃ zurück. Wäre der Hilfsweg nicht vorhanden, so würde ein den magnetomotorischen Kräften Mr₁ und Mn und den Widerständen W₁, Wa, W₃ und W₄ entsprechender remanenter Fluß über den Arbeitsluftspalt fließen. Die geeignet gewählte magnetomotorische Kraft Mr₃ des Hilfsweges sorgt jedoch dafür,

ι« daß am Luftspaltwiderstand eine Gegenspannung solcher Größe liegt, daß der remanente Fluß im Arbeitsluftspalt gleich Null ist.

Um die Abmessungen der Teile des magnetischen Hilfskreises klein zu halten, wählt

•5 man für diese vorzugsweise ein Material mit hoher Koerzitivkraft gegenüber dem Material der Teile, die den zu kompensierenden Fluß führen.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Beseitigung störender Wirkungen des remanenten Magnetismus bei Elektromagneten von Relais, Meßinstrumenten, Maschinen o. dgl. unter Verwendung magnetischer Hilfswege, dadurch gekennzeichnet, daß der magne« tische Hilfsweg, vom Arbeitsluftspalt abgezweigt, von einem Teil des veränderliehen Flusses durchsetzt ist und aus magnetisierbaren Teilen besteht.

2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung der Teile des magnetischen Hilfsweges durch den veränderlichen Fluß nach Größe und Richtung selbst erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des magnetischen Hilfsweges aus einem magnetisierbaren Material bestehen, dessen Kurven BjBr als Funktion von HjHc proportional den entsprechenden Kurven der Teile des magnetischen Kreises für den veränderlichen Fluß sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Relais durch die Anordnung des magnetischen Hilfsweges die Kompensation der remanenten Flüsse in dem Anker und in dessen Arbeitsluftspalt erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Hilfsweg aus mehreren Teilen in Paralleloder Hintereinanderschaltung besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des magnetischen Hilfsweges aus Material mit hoher Koerzitivkraft gegenüber den Teilen, die den zu kompensierenden Fluß führen, bestehen. 6g

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des magnetischen Hilfsweges mit besonderen Wicklungen versehen sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der remanenten Flüsse nach Betrag und Phase erfolgt.

11 lerzu 1 Blatt Zeichnungen

Ergänzungsblatt zur Patentschrift 663 024 Klasse 21g Gruppe 2/01_β

Das Patent 663 024 ist durch rechtskräftige Entscheidung des Reichspatentamts vom 26,Juni 1941 dadurch teilweise für nichtig erklärt worden, daß im Anspruch 1 in Zeile 4 hinter· "o*dgl_e" die Worte eingefügt werden"mit geschlossenem magnetischen Kreis" und daß das Kennzeichen des Anspruchs 1 folgende Fassung erhält:

"daß der von einem Teil des veränderliehen Flusses durch-) setzte und aus magnetisierbarer Teilen bestehende magnetische Hilfsweg derart vom Arbeitsluftspalt abgezweigt j ist, daß die Abzweigstelle im Arbeitsfluss liegt" und daß fernerhin Figo6 der Patentschrift gestrichen wird.