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Haltemagnet Es ist bekannt, Haltemagneten für Auslöser, Relais u.
dgl. mit einem Dauermagneten an Stelle einer Erregerwicklurig zu versehen, für die
eine besondere Stromquelle erforderlich wäre. Bei hufeisenförmigen Magneten befindet
sich der Dauermagnet gewöhnlich an der Stelle des Joches zwischen den beiden Schenkeln.
Dabei können sich zahlreiche magnetische Kraftlinien außerhalb des magnetischen
Kreises schließen und gehen dadurch für den Nutzkraftfluß verloren. Ein solcher
Magnet darf nicht mit seinem Joch auf oder dicht über einer Grundplatte aus Eisen
befestigt werden, weil sonst der Nutzkraftfluß in unzulässigem Maße geschwächt werden
würde. Durch die sich über den freien Luftraum in der Umgebung des Joches und der
Schenkel schließenden Kraftlinien kann eine erhebliche Verschmutzung durch magnetische
Staubteilchen herbeigeführt werden.
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Die genannten Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden,
daß der Dauermagnet in den mittleren Schenkel eines dreischenkligen Magnetkörpers
eingesetzt ist. Durch die beiden äußeren Schenkel wird der Dauermagneteinsatz weitgehend
magnetisch abgeschirmt. Eine vollständige Abschirmung würde zwar erst durch die
Ausbildung des Magneten als Topfmagnet mit ringförmigem Querschnitt des äußeren
Magnetkreisteiles erreicht werden, allein dem stehen größere Herstellungsschwierigkeiten
und schlechtere Zugänglichkeit entgegen. Zudem ist
der Gewinn für
den Nutzkraftfluß gegenüber der dreischenkligen Ausführung nicht so erheblich, daß
er für den praktischen Gebrauch gegenüber den erwähnten Nachteilen eines Topfmagneten
stets ausschlaggebend ins Gewicht fallen könnte.
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Die dreischenklige Magnetform hat gegenüber der Hufeisenform den weiteren
Vorteil, daß wegen der Verzweigung des Halteflusses beim Austritt "aus dem mittleren
Schenkel die Ankerhöhe bei gleicher Induktion im Anker nur halb so groß wird. Damit
werden auch Masse und Volumen des Ankers bei gleicher Flächengröße des Ankerluftspaltes
nur halb so groß wie bei einem Hufeisenmagneten.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele von dreischenkligen
Haltemagneten nach der Erfindung dargestellt, die Weiterbildungen aufweisen, deren
zusätzliche Vorteile nachstehend im einzelnen geschildert werden sollen.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform in Seitenansicht bzw.
im Schnitt durch die Symmetrieebene des mittleren Schenkels. Der Dauermagneteinsatz
ist mit 11, seine Pole sind mit NN und SS bezeichnet. An ihn schließt sich
einerseits ein aus einem Joch 12 und zwei äußeren Schenkelstümpfen 1.4 bestehender,
insbesondere massiver Magnetteil und andererseits ein Mittelschenkelstumpf 13 an.
Zwischen dem letzteren und den ihm gegenüberliegenden Außenschenkelstümpfen 14 befinden
sich schmale Luftspalte 15, über die sich magnetische Nebenwege schließen und so
eine übermäßige Abnahme der Induktion des Dauermagneten für den Fall, daß alle anderen
Kraftlinienwege mit geringem magnetischem Widerstand ausfallen, verhindern. Die
Luftspalte werden vorteilhaft mit einem nichtmagnetischen festen Stoff ausgefüllt,
damit sie nicht verschmutzen können.
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Auf den Stümpfen 14 sitzen die Endteile 16 der äußeren Schenkel, und
auf dem Mittelschenkelstumpf 13 sitzt der Endteil 17. Der letztere hat einen nach
dem Ankerluftspalt hin verjüngten Polschuh; die Polschuhe der äußeren Schenkelteile
16 sind nach dem mittleren Polschuh hin verbreitert. Damit wird die Verwendung eines
schmalen Ankers von geringer Masse ermöglicht und eine auf ein geringes Teilvolumen
des gesamten Magnetkörpers beschränkte erhöhte Kraftliniendichte erzielt, Vorteile,
die einer möglichst hohen Auslösegeschwindigkeit und möglichst geringen Auslöseenergie
bei möglichst größer Haltekraft zugute kommen. Die Abschlußflächen der Polschuhe
liegen in einer gemeinsamen Ebene. Auf ihnen .setzt ein Halteanker 18 mit ebener
Fläche am Ankerluftspalt auf. Dadurch wird eine rasche Ab= nahme der Haltekraft
erreicht, wenn der Halteanker durch eine Abreißkraft senkrecht zur Aufsatzfläche
entfernt wird. Der vorgeschriebenen Haltekraft entspricht eine bestimmte Größe der
Aufsatzfläche. Diese wird durch entsprechende Wahl der in Fig. 2 erscheinenden Ankerlänge
1 quer zur Ebene des Kraftflusses sichergestellt. Je größer die Länge 1 ist, um
so kleiner wird bei gegebener Aufsatzfläche des Ankers dessen in Fig. z erscheinende
Breite b, um so kleiner mithin das Volumen und die Masse des Ankers, die bei der
Auslösung beschleunigt werden muß. Dies ist ebenfalls ein Beitrag zur Erreichung
einer möglichst raschen Auslösung. Ferner kann auf diese Weise der Halteanker 18
eine sehr einfache Gestalt als Platte erhalten. Durch die Forderung, daß die Ankerplatte
eine genügende Formsteifigkeit haben muß, ist die obere Grenze für die Wahl der
Ankerlänge 1 gegeben. Die Schenkelenden 16 und 17 sind an ihrer Basis einander bis
auf je einen schmalen Luftspalt beiderseits des Mittelschenkels genähert, so daß
dadurch die schon erwähnten magnetischen Nebenwege verbreitert sind.
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Eine Auslösewicklung wird vorteilhaft in der Nachbarschaft des Ankerluftspaltes,
also in dem Raum zwischen den Abzweigstellen der magnetischen Nebenwege und dem
Halteanker angeordnet. Die Schenkelenden 16 und 17 sind geblättert, damit nicht
durch Wirbelströme eine unerwünschte Verzögerung der Auslösung verursacht wird.
Da in den übrigen Teilen des Magnetkörpers bei einem Auslösevorgang keine oder nur
geringfügige Änderungen des Kraftflusses verursacht werden, so kann von einer geblätterten
Ausführung dieser Teile abgesehen werden. Die Schenkelenden 16 und 17 werden durch
seitliche Platten 28 aus nichtmagnetischem Werkstoff, z. B. Messing, zusammengehalten..
Sie bilden eine abnehmbare Baueinheit, die bequem ausgewechselt werden kann. Die
Zwischenräume 1g zwischen den Polschuhen können ebenso wie die Nebenwegluftspalte
mit nichtmagnetischem festem Stoff ausgefüllt sein. Auch die Teile 11
... 14 bilden zusammen eine leicht austauschbare Baueinheit. Sie kann nach
der Magnetisierung ihres Dauermagneteinsatzes in betriebsbereitem Zustand auf Lager
gehalten und transportiert werden. Eine ebene Trennfuge zwischen den beiden erwähnten
Baueinheiten erleichtert den Zusammenbau bzw. Austausch. Sie werden durch die Magnetkraft
zusammengehalten. Eine zusätzliche mechanische Verbindung ist meist vorteilhaft,
in der Zeichnung aber nicht dargestellt.
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Der Dauermagnet ist beispielsweise nach Fig.2 quer zur Flußrichtung
schmaler als die Schenkel. Dadurch werden auch die offenen Flanken des Dauermagneten
in einem gewissen Grade abgeschirmt, und es wird vor allem ein fehlerhafter Einbau
derart, daß an den Flanken des Magnetkörpers Eisenteile an oder dicht neben dem
Dauermagneteinsatz liegen und diesen überbrücken oder einen das Haltefeld übermäßig
schwächenden Nebenweg bilden, sehr erschwert. Eine noch bessere Abschirmung kann
durch Abdeckung mindestens einer Jochflanke mit einer Platte aus magnetischem Werkstoff
erreicht werden.
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Die Fig.4 und 5 zeigen einen so abgeänderten Magnetunterteil in Ansicht
und im Schnitt. Die beiden seitlichen Abdeckplatten 2o halten Abstand vom Dauermagneten
11 und reichen an dem quer zur Flußrichtung überstehenden Rand des mittleren Schenkels
13 bis auf je einen schmalen Luftspalt 21 heran, über den sich ein weiterer magnetischer
Nebenweg schließt. Der Querschnitt der Nebenwege über die Luftspalte 15 kann infolgedessen
kleiner sein, und dadurch wird die Bauhöhe des Unterteiles und mithin auch die Gesamtbauhöhe
des Haltemagneten verringert.
Damit die Auslösearbeit so klein wie
möglich wird, sind gemäß Fig. Z in den Polschuhen 16 je eine und in dem Polschuh
17 zwei in einer Zone nebeneinanderliegende Durchbrechungen vorgesehen, in die die
Spulendrähte der Auslösewicklung eingefädelt werden. Die einzelnen Spulenseiten
der. Auslösewicklung sind somit allseitig von einem geschlossenen Eisenweg ohne
Luftspalt umgeben. Die schmalsten Stellen des Eisenquerschnitts beiderseits der
Durchbrechungen werden zweckmäßig so breit gehalten, daß sie vom Haltekraftfluß
gerade bis zum Knick der Magnetisierungskennlinie gesättigt werden. Als magnetischer
Werkstoff für die Polschuhe 16 und 17 wird mit besonderem Vorteil ein solcher verwendet,
dessen Magnetisierungskennlinie im ungesättigten Teil eine möglichst geringe Neigung
gegenüber der Flußachse und an den Übergangsstellen in die gesättigten Gebiete scharfe
Sättigungsknicke aufweist. Dann kann schon durch eine verhältnismäßig geringe Änderung
des Auslösestromes eine plötzliche Auslösung herbeigeführt werden. Die Spulenseiten
in den vier Durchbrechungen können beispielsweise so angeordnet und geschaltet sein,
daß sie alle den gleichen Auslösestrom führen, und zwar in den Durchbrechungen 22
und 24. in entgegengesetzter Richtung wie in den Durchbrechungen 23 und 25. Es wird
beispielsweise in die Durchbrechungen 22 und 23 eine Spule gelegt und in die Durchbrechungen
24. und 25 eine zweite Spule mit der gleichen Windungszahl und gleichem Leiterquerschnitt,
und die beiden Spulen werden hintereinandergeschaltet. Die Parallelschaltung der
beiden Spulen kann von Vorteil sein, wenn infolge schwer vermeidbarer Herstellungsungenauigkeiten
die von den beiden magnetischen Teilflüssen durchsetzten Hälften des Magnetkörpers
nicht vollkommen symmetrisch sind. Dann verteilt sich nämlich der Auslösestrom in
den parallel geschalteten Spulen von selbst so, daß die Unsymmetrien ausgeglichen
werden. Die Änderungen der Haltekräfte der beiden Magnethälften vollziehen sich
dann gleichmäßiger als bei Hintereinanderschaltung der beiden Spulen, insbesondere
tritt der Endzustand der Sperrung, von wo ab eine weitere Erhöhung des Auslösestromes
praktisch keine weitere Schwächung des Halteflusses bewirkt, in beiden Magnethälften
zugleich ein. Das Spulenseitenpaar in den Durchbrechungen 22 und 23 liegt in der
Bahn des über den linken Außenschenkel verlaufenden Kraftflusses und das andere
Spulenseitenpaar in den Durchbrechungen 24. und 25 liegt in der Bahn des zweiten
Kraftflußteiles, der sich über den rechten Außenschenkel schließt. Die von einer
derartigen Auslösewicklung herrührende Gesamterregung hat keine Komponente, die
auf der Bahn des Haltekraftflusses längsmagnetisierend wirkt. Damit sind zwei wichtige
Vorteile verbunden. Wenn nämlich der Auslösestrom auf einen noch so hohen Wert anwächst,
so ist es doch nicht möglich, daß der Halteanker durch einen vom Auslösestrom hervorgerufenen
Kraftfluß weiter festgehalten wird, statt, wie gewünscht, abzufallen, und der Dauermagnet
kann niemals völlig entmagnetisiert, geschweige dann ummagnetisiert werden, wie
das beiAuslösewicklungen mit gegenmagnetisierender Komponente vorkommen kann, also
z. B. in dem Fall, daß bei der Magnetform gemäß Fig. z nur eine Auslösespule in
den Durchbrechungen 23 und 24 vorgesehen wäre.
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Fig.5 zeigt eine andere Anordnung ohne längsmagnetisierende Wirkung
der Auslösewicklung. Hier liegen zwei Durchbrechungen 26 und 27 in verschiedenen
Zonen des Mittelschenkels. Damit ist der Vorteil verbunden, daß die äußeren Schenkel
wicklungsfrei bleiben, was den Aufbau und die Herstellung vereinfacht.
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Die sperrende Wirkung der Auslösewicklungen ohne längs magnetisierende
Komponente kommt dadurch zustande, daß sie den Haltekraftfluß auf der einen Seite
jeder Durchbrechung schwächen, während auf der anderen Seite eine Verstärkung in
gleichem Maße wegen der Sättigung nicht eintritt. Das Gesamtergebnis ist also eine
Schwächung des Haltekraftflusses, die zum Abfall des Ankers führt. Dafür schließen
sich mehr Kraftlinien durch den magnetischen Nebenschluß, so daß der Gesamtfluß
des Dauermagneten in guter Annäherung konstant bleibt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 5 hat den Nachteil, daß die Polfläche
des Dauermagneten bei quaderförmigem Gesamtaufbau des Magnetkörpers im Verhältnis
zu dem beiderseits der Durchbrechungen zur Verfügung stehenden Querschnitt zu klein
wird. Die Polfläche soll nämlich etwa fünfmal so groß sein wie der genannte Querschnitt,
weil der günstigste Wert der Induktion neben den Durchbrechungen etwa fünfmal so
groß ist wie die Induktion, mit der handelsübliche hochwertige Dauermagnetstähle,
z. B. Oerstit, arbeiten. Letztere beträgt beispielsweise etwa 3 ooo Gauß und jene
15 ooo Gauß. Das günstigste Querschnittsverhältnis kann bei der Ausführungsform
nach Fig.5 nur durch eine verhältnismäßig große Schenkellänge erreicht werden, zumal
zwischen den Durchbrechungen 26 und 27 sowie oberhalb von 26 und unterhalb von 27
genügend Platz gelassen werden muß, damit hier nicht Sättigung durch den Auslösestrom
hervorgerufen werden kann, da diese die beabsichtigte Wirkung beeinträchtigen könnte.
Besonders gefährlich kann eine solche Sättigung in der Nähe des Halteankers sein,
weil dadurch ein Teil des Auslösekraftflusses in den Anker und die benachbarten
Schenkel hineingedrängt werden und bei sehr hohem Auslösestrom eine unerwünschte
Haltewirkung ausüben könnte. Dies ist auch bei den anderen Ausführungsformen ohne
längsmagnetisierende Komponente zu beachten.
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Eine Verbesserung des erwähnten Querschnittsverhältnisses kann dadurch
gewonnen werden, daß die Durchbrechungen 26 und 27 als Langlöcher ausgeführt werden,
deren größere Ausdehnung quer zur Flußrichtung liegt. Noch besser ist aber in dieser
Beziehung die Ausführungsform nach Fig. 6. Hier sind ebenso wie bei der Aurführungsform
nach Fig. z zunächst zwei Durchbrechungen in einer Zone des mittleren Schenkels
nebeneinander angebracht. Die äußeren Schenkel sind aber nicht durchbrochen. Statt
dessen sind in den Zwischenräumen außerhalb des Magnetschenkels Aussparungen für
je eine Spulenseite vom halben Durchflutungswert vorgesehen. Im mittleren Schenkel
können statt 2 auch q., 6 usw., also
eine beliebige gerade Anzahl
Durchbrechungen nebeneinander angeordnet sein. Bedingung dafür, daß keine längs
magnetisierende Wirkung auf der Bahn des Haltekraftflusses ausgeübt wird, ist, daß
die Verhältnisse der Stromdurchflutungen il . . . in der Spulenseiten und
die Verhältnisse der kleinsten Eisenbreiten a1 . . . a("_1) zwischen den Spulenseiten
so gewählt sind, daß die Summe der sämtlichen für die verschiedenen, von Haltekraftlinien
durchzogenen Spulenzwischenräume gebildeten Produkte aus dem Gesamtstrom in denjenigen
Spulenseiten, die von einer Hältekraftlinie umschlungen werden, und der kleinsten
Eisenbreite in dem von dieser Kraftlinie durchzogenen Spulenzwischenraum Null ist.
Mäßige Abweichungen können praktisch zulässig sein, ohne daß eine störende Wirkung
merkbar wird.
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Bei der Anwendung dieser Regel auf Fig. 6 werden zunächst- die Linienintegrale
der Stromdurchflutung längs der strichpunktiert eingezeichneten Kraftlinienwege
I, II und III gebildet und damit die kleinsten Eisenbreiten multipliziert. Es ergibt
sich für Weg I ...... il ai, - - II ..... (il + i2) a2, - - III
..... (il -E- i2 + i3) a3.
Die Summe sämtlicher Produkte
ist il a1 + (21 + 22) a2 -i-' (il -i- i2 -i- i3) a3 = o Ferner muß
il -f- i2 --f- i3 -f- i4 = o sein. Gewählt wurden beispielsweise folgende Verhältnisse:
Z2221; 23= -f-221; Z4=-21 und a2 =2a1; a3=al. Damit wird die Summe der Produkte
il a1 + (21 - 9-il) 2 a1 + (21 - 2 il -f - 2 il) a1 = o, il
a1 - eil a1 -f- il a1 = o. Es zeigt- sich somit, daß die Bedingung für das
Fehlen einer längsmagnetisierenden Komponente der Auslöseerregung erfüllt ist. Das
trifft z. B. auch für folgende Verhältnisse zu: 5 5 22 = - 3e11 23 = 321,
24 = - Z1; a2 =3 a1, a3=ai. Hier bleibt jedoch stets ein verhältnismäßig großer
Restteil des Haltekraftflusses bestehen, weil der Eisenquerschnitt zwischen den
Durchbrechungen größer ist und daher in jedem Fall durch den Auslösekraftfluß in
geringerem Grade gesättigt wird als der an .den Außenseiten des Schenkels neben
den Durchbrechungen vorhandene Eisenqueischnitt. Damit der verbleibende Rest des
Haltekraftflusses möglichst klein wird, ist deshalb die zusätzliche Bedingung zu
erfüllen, daß die zu beiden Seiten einer Durchbrechung für den sich um sie herum
schließenden Auslösekraftfluß zur Verfügung stehenden Querschnitte einander möglichst
gleich sein sollen, so daß die Summe a1 - a2 -f- a3 - a4
. . . -f-
a (,A) = o wird. Dagegen ist eine symmetrische Anordnung keineswegs erforderlich,
wie folgendes Beispiel zeigt, das die genannten Bedingungen erfüllt: i2 = - 2 il,
i3 = + 2 21, i4 = -il; a2 =3a1, a3 =2a1.
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Für die in Fig. 6 dargestellten Verhältnisse ergibt sich eine besonders
vorteilhafte Wicklungsausführung gemäß Fig. 7 in Gestalt von drei gleichen Spulen,
von denen eine, nämlich die Spule 30, in den beiden Durchbrechungen 23, 24 liegt
und diese halb ausfüllt, während von der Spule 29 eine Spulenseite in der Durchbrechung
23 und die andere auf der Außenseite des Magnetschenkels liegt und die Spule 31
symmetrisch dazu angeordnet ist.