DE861129C

DE861129C - Overcurrent relay

Info

Publication number: DE861129C
Application number: DEP2516A
Authority: DE
Inventors: Allen C Stimson
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1949-04-09
Filing date: 1949-04-09
Publication date: 1952-12-29

Description

Überstromrelais Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schutzvorrichtung und insbesondere auf ein thermischmagnetisches Überstromrelais.Overcurrent Relay The invention relates to an electrical protection device and in particular a thermal-magnetic overcurrent relay.

Das erfindungsgemäße Relais ist sowohl für Gleichstrom- als auch für Wechselstrombetrieb geeignet und schützt sowohl gegen mäßige als auch sehr starke Überlastungen. Das Relais spricht bei andauernden schwachen Überströmen thermisch an, während es bei starken Überströmen magnetisch in kürzester Zeit ausgelöst wird. Es besitzt ferner den Vorzug, daß es über einen weiten Strombereich einstellbar ist, so daß es zum Schutz von elektrischen Apparaten benutzt werden kann, die für sehr verschiedene Stromstärken ausgelegt sind. Einweiterer Vorteil liegt in dem einfachen Aufbau des Relais.The relay according to the invention is for both direct current and for AC operation and protects against both moderate and very strong Overloads. The relay speaks thermally in the event of sustained weak overcurrents on, while it is magnetically triggered in a very short time in the event of strong overcurrents. It also has the advantage that it can be adjusted over a wide range of currents so that it can be used to protect electrical equipment used for very different currents are designed. Another advantage lies in that simple structure of the relay.

Erfindungsgemäß besteht das Relais aus einem magnetischen Kern und einem magnetischen Anker und besitzt eineErregerwicklung aus einem thermomagnetischen Material. Die Wicklung ist so. angeordnet, daß sie den Hauptteil des .Ankerflusses nebenschließt. Das zur Verwendung gelangende thermomagnetische Material weist die Eigenschaft auf, daß mit einer durch den Überstrom bedingten Zunahme der Temperatur seine Permeabilität stark abnimmt. Infolge der damit verbundenen Zunahme des Widerstandes des magnetischen Nebenschlußweges wird der Hauptteil des Magnetflusses gezwungen, seinen Weg durch den Relaisanker zu nehmen, der infolgedessen von dem Kern angezogen wird und dabei einen Stromunterbrecher betätigt. Um ein schnelles Ansprechen des Relais bei Auftreten eines sehr starken Überstromes zu erleichtern, kann die Anordnung so getroffen werden, daß ein Teil des Kernes eine Querschnittsverringerung aufweist, wie im einzelnen noch dargelegt werden wird. Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.According to the invention, the relay consists of a magnetic core and a magnetic armature and has an excitation winding made of a thermomagnetic Material. The winding is like this. arranged that they form the main part of the .Anchor River side closes. The thermomagnetic material used has the Property on that with an increase in temperature caused by the overcurrent its permeability decreases sharply. As a result of the associated increase in resistance of the magnetic shunt path, the main part of the magnetic flux is forced to take its way through the relay armature, which is consequently attracted by the core and a circuit breaker is operated in the process. In order to respond quickly to the Relay can be made easier when a very strong overcurrent occurs be made so that part of the core has a reduction in cross-section, as will be explained in detail below. The invention aims to are explained in more detail with reference to the drawing.

Es bedeutet io den magnetischen Kern des Relais, i i einen mit dem Kern verbundenen magnetischen Schenkel oder Rahmen und 12 einen Anker, der auf dem Schenkel drehbar gelagert ist und durch eine Feder 13 so gespannt ist, daß er die in der Zeichnung dargestellte Ruhestellung einnimmt, d. h. von dem Magnetkern absteht und die Kontakte i9 und 2o schließt.It means io the magnetic core of the relay, i i one with the Core connected magnetic leg or frame and 12 an armature, which on the Leg is rotatably mounted and is tensioned by a spring 13 so that it is the assumes the rest position shown in the drawing, d. H. protrudes from the magnetic core and contacts i9 and 2o close.

Auf dem Kern iö ist eine Erregerwicklung 14 angebracht. Der magnetische Rahmen i i besteht aus einer Grundplatte und zwei parallel zum Kern verlaufenden Seitenteilen und bildet so einen Rückflußweg für den den Anker durchsetzenden Fluß. Falls erwünscht, können die Seitenteile des magnetischen Rahmens i i auch ringförmig aus-,gestaltet werden, derart, @daß die Erregerwiicklung ganz von ihnen umiscblossenr wird; jedoch ist dies für die Durchführung des Erfindungsgedankens nicht unbedingt erforderlich.An excitation winding 14 is attached to the core iö. The magnetic one Frame i i consists of a base plate and two parallel to the core Side parts and so forms a return path for the river passing through the anchor. If desired, the side parts of the magnetic frame i i can also be annular designed in such a way that the pathogen development is completely enclosed by them will; however, this is not essential for carrying out the idea of the invention necessary.

Zwecks Lagerung des Ankers 12 kann, wie in der Zeichnung dargestellt, der eine Schenkel i i an seinem oberen Erde in eine scharfe Kante 15 auslaufen. Die Feder 13, die dazu dient, den Anker in einer Stellung zu halten, in der er- vom Kern getrennt ist, ist einerseits am Anker 12 und andererseits an einem Winkel 16, der von dem Schenkel ii getragen wird, befestigt. Um das Relais auf die normale Stromstärke einzustellen, ist die Stellschraube 17 vorgesehen, die durch die Halterung i8 getragen wird. Die Halterung 18 kann an dem Rahmen i i befestigt sein. Der Anker 12 trägt ein oder mehrere Kontakte i9, die mit einem oder mehreren festen. Gegenkontakten 2o zusammenwirken. Diese Kontakte dienen dazu, in bekannter Weise den Schutzkreis zu steuern. In der Zeichnung ist als Beispiel der Fall dargestellt, daß die Kontakte i9 und 2o in der Ruhestellung des Relais geschlossen sind. Aber es kann die Anordnung auch so gewählt werden, daß der feste Kontakt 2o mit dem beweglichen Kontakt i9 in Berührung kommt, wenn der Anker 12 angezogen wird.For the purpose of storing the armature 12, as shown in the drawing, the one leg i i run out into a sharp edge 15 at its upper ground. The spring 13, which serves to hold the armature in a position in which it is separated from the core is on the one hand on the armature 12 and on the other hand at an angle 16, which is carried by the leg ii attached. To switch the relay to normal To adjust the current intensity, the adjusting screw 17 is provided through the bracket i8 is worn. The bracket 18 can be attached to the frame i i. The anchor 12 carries one or more contacts i9 that are fixed to one or more. Mating contacts 2o work together. These contacts are used to create the protective circuit in a known manner to control. In the drawing, the case is shown as an example that the contacts i9 and 2o are closed in the rest position of the relay. But it can be the arrangement can also be chosen so that the fixed contact 2o with the movable contact i9 comes into contact when the armature 12 is tightened.

Die Erregerwicklung 14 wird von dem Strom des zu schützenden elektrischen Kreises durchflossen. Sie besteht aus vorzugsweise bandförmnigem, thermomagnetischem Material, das hochkant auf den Kern io gewickelt ist. Der Durchmesser der Wicklung ist vorzugsweise so gewählt, daß sie im wesentlichen den ganzen Raum. zwischen dem Kern und dem Rahmen i i ausfüllt. Dadurch entsteht ein magnetischer Nebenschluß, indem die Kraftlinien radial durch die Windungen der Spule verlaufen. Die Wicklung 14 kann mit einer dünnen Lage Isoliermaterial, in der Zeichnung nicht dargestellt, umgeben sein, um sie von dem Kern io und den Schenkeln i i zu isolieren.The excitation winding 14 is from the current of the electrical to be protected Circle flowed through. It consists of preferably band-shaped, thermomagnetic Material that is wound upright on the core io. The diameter of the winding is preferably chosen so that it covers substantially all of the space. between the Core and the frame i i fills. This creates a magnetic shunt, in that the lines of force run radially through the turns of the coil. The winding 14 can with a thin layer of insulating material, not shown in the drawing, be surrounded in order to isolate them from the core io and the legs i i.

Erfindungsgemäß besteht die Wicklung 14 aus einer Legierung, die eine merkliche Permeabilität mit einem großen Temperaturkoeffizienten besitzt, derart, daß die Permeabilität sich schon bei geringen Temperaturänderungen stark ändert. Derartige Legierungen sind als Curie-Metalle bekannt. Vorzugsweise eignen sich solche Legierungen, die bei normalen Temperaturen eine merkliche Permeabilität besitzen und bei Erhitzung auf etwa ioo bis i5o° C im wesentlichen unmagnetisch werden. Legierungen mit diesen Eigenschaften werden im Sinne der Erfindung als thermomagnetisches Material bezeichnet.According to the invention, the winding 14 consists of an alloy that has a has noticeable permeability with a large temperature coefficient, such as that the permeability changes significantly even with small changes in temperature. Such alloys are known as Curie metals. Such are preferably suitable Alloys that have a noticeable permeability at normal temperatures and become essentially non-magnetic when heated to about 100 to 150 ° C. Alloys With these properties are in the sense of the invention as a thermomagnetic material designated.

Soll das erfindungsgemäße Relais für sehr hohe Ströme ausgelegt werden, so empfiehlt es sich, die Erregerwicklung aus einem Bimetallstreifen herzustellen, der aus einem thermomagnetischen Teil 14a und einem elektrisch gut leitendenTeil i4b, z. B. ,aus Kupfer, besteht. Die Bimetallsgule kann in ,der Weise hergestellt werden, daß eine Spule aus thermomagnetischem Material kupferplattiert wird. Auf diese Weise kann der Gesamtwiderstand der Spule leicht auf einen passenden Wert gebracht werden.If the relay according to the invention is to be designed for very high currents, so it is advisable to make the excitation winding from a bimetal strip, that consists of a thermomagnetic part 14a and a part which is a good electrical conductor i4b, e.g. B., made of copper. The bimetallic coil can be manufactured in that way be that a coil of thermomagnetic material is copper-plated. on this way the total resistance of the coil can easily be adjusted to a suitable value to be brought.

Wird das Relais, nun in Betrieb genommen, so erzeugt der die Erregerwicklung durchfließende Strom einen Magnetfluß in dem magnetischen Kern io. In einem gewöhnlichen Relais würde der magnetische Kreis einfach durch die Schenkel i i und den Anker 12 geschlossen. Bei dem erfindungsgemäßen Relais ist jedoch die Permeabilität der hochkant gewickelten Spule 14 aus thermomagnetischem Material so groß, daß bei normaler Betriebstemperatur die Spule 14 einen magnetischen Nebenschluß darstellt, indem sich die Kraftlinien vom Kern io aus radial durch die Windungen zum Rahmen ii hin schließen.If the relay is now put into operation, it generates the excitation winding current flowing through a magnetic flux in the magnetic core io. In an ordinary The magnetic circuit would relay simply through the legs i i and the armature 12 closed. In the relay according to the invention, however, the permeability is the Edgewise wound coil 14 made of thermomagnetic material so large that with normal Operating temperature the coil 14 represents a magnetic shunt by the lines of force from the core io radially through the windings to the frame ii conclude.

Tritt nun ein mäßiger Überstrom auf, so erwärmt sich die Wicklung 14 allmählich bis auf eine Temperatur, bei der das thermom.agnetische Material im wesentlichen: unmagretisch wird,- so daß die Wicklung keinen magnetischen Nebenschluß. m@eh@r darstellt. Der nunmehr vom Anker 12 zur Polfläche 2,1 des. Kernes io verlaufende Kraftfluß bewirkt eine magnetische Anziehung, so daß sich der Anker entgegen der Federkraft der Feder 13 auf den Kern zu bewegt. Diese Anziehung erfolgt mit einer zeitlichen Verzögerung nach dem Einsetzen des Überstromes. Bei einem dauernden Überstrom geringer Stärke ist diese Verzögerung abhängig von der Stromstärke in der Weise, daß das zur Entmagnetisierung der Spule benötigte Zeitintervall um so geringer wird je größer der Überstrom ist. überstrom und Verzögerungszeit stehen also im umgekehrten Verhältnis zueinander.If a moderate overcurrent occurs, the winding heats up 14 gradually up to a temperature at which the thermom.agnetic material in the essential: becomes non-magnetic, - so that the winding does not have a magnetic shunt. m @ eh @ r represents. The now running from the armature 12 to the pole face 2.1 of the core io Flux of force causes a magnetic attraction, so that the armature is against the Spring force of the spring 13 moves towards the core. This attraction occurs with a time delay after the onset of the overcurrent. In the event of a permanent overcurrent low, this delay is dependent on the strength of the current in such a way that that the time interval required to demagnetize the coil becomes all the shorter the greater the overcurrent. Overcurrent and delay time are therefore reversed Relationship to each other.

Tritt ein plötzlicher starker Übe-rstrom auf, der z. B. 30o bis 500°/a des normalen Stromes beträgt, so wird der radial durch die Wicklung 14 verlaufende magnetische Nebenschlußweg .gesättigt, und ein merklicher Teil des Flusses wird gezwungenermaßen seinen Weg durch den Anker 12 nehmen und den Anker zur Anziehung bringen noch bevor sich die thermomagnetische Wicklung erhitzt hat. Das Relais verliert in diesem Falle seine thermisch bedingte Zeitabhängigkeit und spricht infolge der Sättigungserscheinung praktisch ohne Verzögerung an, d. h. bevor noch die Entmagnetisierungstemperatur erreicht ist. Bei einem Relais. vorgegebener Abmessungen tritt dieser Fall des momentanen Ansprechens bei einer solchen Stärke des Überstromes ein, die ausreicht, um durch den Anker r2 den zur Anziehung nötigen Kraftfluß zu treiben ohne daß erst eine Erhitzung der- Wicklung 1q. eintritt. Der Wert dieser Stromstärke ist gegeben durch die Größe und Sättigungsfähigkeit der Wicklung 1q., die Sättigungsfähigkeit des Kernes io und die Länge der Luftstrecke zwischen Kern und Anker, er hängt jedoch nicht von dem elektrischen Widerstand der Spule 14 ab, so. daß die Anbringung einer Kupferplattierun.g in dieser Beziehung keinen Einfluß hat.If a sudden strong overcurrent occurs, e.g. B. 30o to 500 ° / a of the normal current, then the one running radially through the winding 14 becomes magnetic shunt path .saturated, and a noticeable portion of the flux becomes forced to take its way through the anchor 12 and the anchor to attraction bring before the thermomagnetic winding has heated up. The relay loses in this case its thermally conditioned time dependence and speaks as a result of the Saturation phenomenon practically without delay, d. H. before even the demagnetization temperature is reached. With a relay. given dimensions, this case occurs momentary Responds at such a strength of the overcurrent that is sufficient to through the armature r2 to drive the force flow necessary for attraction without first heating der- winding 1q. entry. The value of this amperage is given by the size and saturation of the winding 1q., the saturation of the core io and the length of the air gap between the core and the armature, but does not depend on the electrical resistance of the coil 14, so. that the attachment of a copper plating has no influence in this regard.

Es hat sich herausgestellt, daß es nicht leicht ist, bei Verwendung eines massiven Magnetkernes den Strombereich für ein thermisch verzögertes Ansprechen auf .einen höheren Wert als etwa 2;5o bis 300°/o des normalen Stromes zu bringen. Soll das Relais seine Funktion als thermisch verzögertes Relais z. B. bis zu Stromstärken bis herauf zu 500% des normalen Stromes beibehalten-, so empfiehlt es sieh, die Querschnittsfläche des, Kernes io in der Nähe der Polfläche 2m merklich. zu verringern. Zu diesem Zweck kann der Kern in dem Bereich 22 mit einer zentrischen Bohrung versehen werden. Eine solche Querschnittsverminderung zieht eine Sättigung des Kernes in der Umgebung der Polfläche 21 nach sich, und das wiederum setzt die Wirkung der in dem. thermomagnetischen Material der Erregerwicklung eintretenden Sättigung herab. Wenn z. B. bei einem massiven Kern ein Überstrom von 3o0% ausreichen würde, um den Nebenschlußweg der Spule i¢ so weit zu sättigen, daß genügend Kraftlinien ihren Weg durch den Anker nehmen, um ihn zur Anziehung zu bringen, so wird bei dem gleichen Überstrom, für den Fall, daß gleichzeitig eine Sättigung des hohlen Magnetkernes vorhanden ist, der durch den Anker verlaufende Kraftfluß geringer sein, da mehr Kraftlinien durch den nur teilweise gesättigten Nebenschlußweg verlaufen werden. Der zum momentanen Ansprechen nötige Strom wird also bei einem höheren Wert liegen, wenn dafür gesorgt wird, daß die Spitze des Kernes gesättigt ist.It has been found to be not easy to use a massive magnetic core, the current range for a thermally delayed response to a value higher than about 2.5 to 300 per cent of the normal current. Should the relay function as a thermally delayed relay z. B. up to currents Maintain up to 500% of the normal current - so see that Cross-sectional area of the core io noticeable near the pole face 2m. to reduce. For this purpose, the core can be provided with a central bore in the area 22 will. Such a reduction in cross-section draws in saturation of the core the surroundings of the pole face 21 after itself, and that in turn sets the effect of the by doing. thermomagnetic material of the excitation winding occurring saturation. If z. B. with a massive core an overcurrent of 3o0% would be sufficient to the To saturate the shunt path of the coil i ¢ so far that there are enough lines of force Taking the way through the anchor to make it attract, so will be with the same Overcurrent in the event that the hollow magnetic core is saturated at the same time is present, the power flow passing through the armature will be less, since more Lines of force run through the only partially saturated shunt path. The current required for the momentary response will therefore be at a higher value, if the tip of the core is made to be saturated.

Der Kupferteil iqP der Erregerwicklung 1q. läßt einen höheren Wert für den normalen Betriebsstrom zu, da hierdurch der Gesamtwiderstand der Wicklung verringert wird. Wie sich herausgestellt hat, wird dadurch die Ansprechzeit bei höheren überströmen etwas vergrößert, da die in dem Kupferteil entwickelte Wärme eine gewisse Zeit benötigt, um auf das thermomagnetische Material überzugehen. Der Kupferteil der Spule wirkt also sozusagen wie eine Parallel- oder Nebenheizung für den thermomagnetischen Teil.The copper part iqP of the excitation winding 1q. leaves a higher value for the normal operating current, as this increases the total resistance of the winding is decreased. As it turns out, this increases the response time at higher overflows are somewhat larger because of the heat developed in the copper part takes a certain time to pass to the thermomagnetic material. Of the So the copper part of the coil acts like a parallel or auxiliary heating for the thermomagnetic part.

Das in der Zeichnung dargestellte Relais ist so gebaut, daß es selbsttätig in seine Ruhestellung zurückgeht, sobald der Strom und damit die Temperatur in der Spule 14 den normalen Wert wieder angenommen haben. Der Stromwert, bei dem die Ruhestellung eingenommen wird, kann dadurch festgelegt werden, daß entweder der Kern io oder der Anker 12 mit einem einstellbaren Anschlag versehen ist, so daß die Luftstrecke zwischen dem Anker in der angezogenen Stellung und der Polfläche 2i eingestellt werden kann.The relay shown in the drawing is built so that it is automatic returns to its rest position as soon as the current and thus the temperature in the Coil 14 have taken on the normal value again. The current value at which the rest position is taken can be determined by the fact that either the nucleus io or the armature 12 is provided with an adjustable stop so that the air gap set between the armature in the attracted position and the pole face 2i can be.

Falls es erwünscht ist, daß nach Auftreten eines Überstromes der Anker erst durch Handbetätigung in seine Ruhestellung zurückgebracht wird, kann zu diesem Zweck eine Klinkvorrichtung vorgesehen werden, in die der Anker schnappt und damit in seiner angezogenen Stellung gehalten wird, bis die Klinke gelöst wird.If it is desired that after an overcurrent has occurred, the armature is only brought back into its rest position by manual operation, can to this Purpose of a latch device to be provided into which the anchor snaps and thus is held in its tightened position until the pawl is released.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Overcurrent relay, consisting of one with legs provided magnetic core, a magnetic armature and one surrounding the core Excitation winding, characterized in that the winding consists of a thermomagnetic Material, in particular Curie metal, decreases sharply with increasing temperature Permeab.ilität exists and is arranged such that it has a magnetic shunt for the lines of force running through the core and anchor.

2. Overcurrent relay according to claim i, characterized in that the thermomagnetic winding consists of: band-shaped material.

3. Overcurrent relay according to claim i and 2, characterized characterized in that the band-shaped material of the thermomagnetic winding in such a way wound on edge is that the turns of the winding from those between the core and its legs extending lines of force are radially penetrated. q ..

Overcurrent relay according to claim i to 3, characterized in that the band-shaped thermomagnetic Material with a layer of good electrical conductivity, preferably made of copper; Mistake, in particular is plated.

5. Overcurrent relay according to claim i to q., Characterized marked; that the legs of the magnetic core are annular are.

6. Overcurrent relay according to claim i to 5, characterized in that the thermomagnetic winding has a diameter such that it has the space between Essentially fills the core and legs.

7. Overcurrent relay according to claim i to 6, characterized in that the core in the vicinity of the armature facing Pole face has a reduced cross-section. B. overcurrent relay according to claim i to 7, characterized in that the core has a central bore. G. Overcurrent relay according to Claims i to 8, characterized in that for limiting the core-armature clearance is provided with an adjustable stop.