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Wechselstromrelais mit einer oder mehreren durch periodischen Strom
erregten Feldspulen Die Erfindung betrifft ein Wechselstromrelais, das sieh durch
Einfachheit im Aufbau und bei großer Empfindlichkeit durch die Möglichkeit der Übertragung
eines großen Drehmomentes auszeichnet. Das elektromagnetische Feld in einem Wechselstromrelais
wird, vorzugsweisse durch Stromspulen mit: Eisenkern erzeugt. Für besondere Zwecl,#e
lassen sich jedoch, wenn der Eiseneinfluß des Kernes auf das verstellbare Schaltglied
sich nachteilig auswirken könnte, eisenlose Spulen so günstig ausbilden und anordnen,
.daß die in ihnen erzeugten Magnetflüsse bzw.deren Änderung voll zur Wirkung ,gelangen.
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Die bekannten Relais sind entweder als Weicheisenrelais, als Ferrarisrelais
oder als dynamisches Relais ausgebildet. Eine elektrische Abhängigkeit von einer
Bestimmungsgröße des dias: Magnetfeld beeinflussenden Wechselstromes läßt sich im
wesentlichen nur bei den beiden letztgenannten Relais erzielen, da das Weicheiseninstrument
keine ausreichende Einpfindlidhkeit besitzt und sein Anker nur durch mechanische
Geigenmomente mit dem magnetischen Indul#:tionsdrehmom@ent abgestimmt werden kann.
Die bekannten Relais sind jedoch alle in ihrem Aufbau verhältnismäßig kompliziert,
oder sie erfordern einen verhältnismäßig großen Leistungsaufwand, um ein genügendes,
für die I-Conbaktgabe ausreichendes Drehmoment übertragen zu können.
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Nach der Erfindung wird für die Erzeugung eines großen Drehmomentes
ein mit hysteretischem Werkstoff versehenes Verstell- oder Schaltglied benutzt,
bei dem die Anordnung des Werkstoffes so erfolgt, daß die zwisdhen den Polen der
Feldmagnete sich ausbildenden Kraftlinien längs des zwischen Sdhaltglied und Polflächen
vorhandenen Luftspaltes verlaufen.
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Es ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, Werkstoffe mit großer
Hysterese, also insbesondere solche miti .großer Koerzitivkraft für die Drehmomentbildung
vor
allem bei Motoren oder Bremsen zu verwenden. Man: hat ,auch .daran gedacht, Meßgeräte,
die auf der Wirkung eines Drehfeldes oder Wanderfeldes beruhen, auf dem Hystereseprinzip
aufzubauen. In diesem Zusammenhang ist. auch idlie Verwendung .der Hysteresekräfte
für Relais vorgeschlagen worden, wobei eine von der Relaisspule verstellte Hysteresestange
Anwendung finden sollte.
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Bei allen auf diesem Gebiet bekannten. Einrichtungen erfolgt! die
Ausnutzung der Hysteresekr,aft in der Weise, .daß die Feldlinien den Hysteresewerkstoff
quer zu seiner Längserstrekkung durchdk-ingen, so daß sich die dabei entstehenden
Pole im wesentlichen gegenüberliegen und demnach die Polachse, die beide Pole verbindet,
sich quer zur Fortbewegungsrichtung bewegt. Diese Art dier Anordnung 'hat aber verschiedene
Nachteile,!da die sich hierbei ausbildenden Wirbelströme einerseits zwar förderlich
auf das Drehmoment, andererseits aber ungünstig auf die Erwärmung des Eisens einwirken.
Auf diese Weise werden vor allem bei Meßgeräten und auch Relais die in unerwünschter
Weise verändert, so daß das Instrument nicht mehr allein von dier Bestimmungsgröße
oder Meßgröße abhängt. Außerdem ist die Fortschaftbewegung ungleichmäßig, und es
ist wegen des großen Kraftlinienwages eine höhere Leistung aufzu'bringen-als bei
.der Anordnung des Hysteresematerials, wie sie die Erfindung vorschlägt.
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Ein Wechselstromrelais gemäß der Erfindung kann für die verschiedensten
Zwecke ausgebildet und .dementsprechend angewendet werden. Das Relais kann demnach
als Uberstromrelais oder Frequenzrelais, ebenso aber auch als Phasenrelais, als
Richtungsrelais oder als: Leistungsrelais bebaut werden. Soweit je nachdem
Anwenfdungsfall zwei Ströme zur Verfügung stehen, die miteinander verglichen wenden,
1ä& sich das Wanderfeld leicht in zwei Spulensystemen erzeugen. Bei nur einem
vorhandenen Strom, dessen Änderung eine Relaisauslösung herbeiführen soll, kann
das Wanderfeld mit ,dien bisher üblichen Mitteln durch eine Kunstschaltung oder
einen Kurzschlußring auf -dem zweiten Pol oder.bei mehreren Systemen auf den zweiten
Polen erzeugt werden. Das Relais kann auch, je nach dem Verwendungszweck mit einer
oder mehreren Erregerspulen ausgerüstet sein; die entsprechend von einem oder mehreren
Strömen :gleicher oder verschiedener Größe durchflossen werden. Es werden in diesem
wie in jedem Falle wenigstens zwei Magnetpole oder eine Mehrzahl von Polpaaren gebildet,
deren Flüsse phasenverschoben sind, so daß durch die wechselnde Erregung der Spulen
ein Wanderfeld entsteht, welches das Verstellteil synchron oder verzögert mitnimmt.
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Ein wesentlicher Teil der Erfindung ist die Ausbildung dieses Verstellteiles,
der zweckmäßig zuleich das auf di g a e Relaiskontakte einwirkende Schaltglied
bildet. Auf diesem Verstellteil oder Schaltglied ist ein Belag aus dem Hysteresewerk-
j stoff aufgebracht, in dem die Kraftlinien in seiner Bewegungsrichtung verlaufen.
Die Pole sind nun gegenüber diesem Verstellteil so angeordnet, daß abwechselnd je
zwei gleichnamige Pole nebeneinanderliegen, denen entsprechend ungleichnamige Pole
unmittelbar folgen. Auf diese Weise bilden sich zwischen den ungleichnamigen Polen
Magnetfelder aus, deren Kraftlinien sich durch den Belag des Verstellgliedes erstrecken
und in diesem einen von Pol zu Pol reichenden Stabmagneten erzeugen, der sich entsprechend
der Änderung der Bestimmungsgröße entlang den. Feldpolen verschiebt.
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Die Wirkungsweise eines nach der Erfindung ausgebildeten Relais ist
im folgenden an zwei in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungen erläutert.
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Fig. -i zeigt ein Wechselstromrelais mit einem drehbaren Schaltglied;
Fig. 2 stellt ein Relais (dar, dessen Schaltglied geradlinig verstellbar ist.
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Die gezeigten elektromagnetischen Wechselstromrelais unterscheiden
sich im wesentlichen nur durch die Ausbildung des verstellbaren Schaltgliedes. Ein
Magnetkern i ist mit vier Polansätzen 2, 3, 4 und 5 und entsprechenden Erregerwicklungen
6, 7, 8 und 9 versehen. Die Spulen sind paarweise hintereinandergeschaltet und so
angeordnet, daß sie in! der Hintereinanderschaltung in entgegengesetzter Richtung
jeweils vom gleichen Strom durchflossen werden. Das Polpaar 2, 4 trägt die Spulen
6, 8, die an eine Stromquelle io angeschlossen sind; während auf dem Polpaar 3,
5 die aus; einer Stromquelle i i gespeisten Spulen 7, 9 sitzen. Wie leicht erkennbar,
entstehen durch die abwechselnd entgegengesetzt gerichteten Spulenfelder zwei ungleiche
Polpaare 2, 4 und 3, 5. Bei gleicher Frequenz und gleicher Phasenlage sind die Pole
2, 3 bzw. 4, 5 einander gleich.
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Den Polen .gegenüber ist drehbar ein Scheibensektor 112 gelagert,
dessen Flanschrand 13 etwa in ,der Höhe der Polbreite m-it einem Hystereseheiag
14 versehen ist. Je nach dem und der beabsichtigten Wirkungsweise des Relais wird
ein dünner oder starker Belag aus einem geeigneten Material, z. B. einer Nickel-Eisen-,
Kobalt-Eisen- oder Aluminium-Eisen-Legierung, einem Stahldraht oder einem gehärteten
Stahlblech oder. auch aus einem mit Eisen- oder Stahlpulver bespritzten Band! oder
einem ganz aus solchem Stoff bestehenden Band (Magnettonband) gewählt. Der Scheibensektor
12 ist! mit einem Ansatz 15 versehen, der die Kontakte 16, '17 trägt. Bei Berührung
mit Gegenkontakten 18 oder i9 wird ein Rel!aisstromkreis geschlossen. Eine Feder
2o bewirkt,die Rückstellung für die Nullage.
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Fig. 2 zeigt eine andere Ausbildung .des verstellbaren Schaltgliedes.
Das Magnetsystem ist in gleicher Weise wie bei Fig. i ausgebildet, und seine Teile
sind mit entsprechend' gleichen Bezugszahlen versehen. Der Anker bzw. das Schaltglied
ist an Federn 211 aufgehängt und besteht aus einem geraden Streifen 22 aus Leichtmetall
oder einem anderen unmagnetischen Stoff. Mittels Lenker 23
wird
der mit einem Hysteresebelag 24. versehene Streifen.. 22 parallel zu den Polflächen
geführt. Ein mit ihm verbundener Ansatz 25 bewirkt bei .der Verstellung nach der
einen oder anderen Richtung das Schließen der Kontakte 26 oder 217. Selbstverständlich
können, auch weitere Übertragungsglieder zwischen den Verstellteilen und den Kontakten
angeordnet sein.
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Sind', wie angenommen wird, die Ströme aus den Quellen io undl i i
gleich groß und in Phase miteinander, so wird infolge des eindeutigen, m.a@gnetischen
Wechselfeldes, das sich zwischen den Polen 4, 5 und den Polen 2, 3 entlang dem Umfang
des Schaltgliedes i2 oder 22 durch den Belag 14 oder 24 hindurch erstreckt, das
Schaltglied durch die völlig symmetrische Induktion des, Belages in der gezeichneten
Lage gehalten. Ändert sich jedoch eine der Bestimmungsgrößen des einen Stromes gegenüber
dem anderen. Strom, beispielsweise die Phasenlage zwischen den Spannungen der Stromquellen
io und in, so tritt eine entsprechende Änderung im Flußwechsel an .den Polen 2,
,4 ein, die eine Störung des Gleichgewichtes zur Folge hat. Das Schubmoment ist
nämlich von der Größe des. Produktes beider Magnetflüssie und dem Sinus des eingeschlossenen
Winkels abhängig.
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Auch als Frequenzrel:ais ist die Einrichtung sinngemäß verwendbar.
Bei Frequenzen, die eine harmonische Oberschwingung zu der Frequenz des anderen.
Stromes darstellen, ist es zweckmäßig, einen Schwingungskreis zum Ansprechen zu
bringen, dler eine Verzerrung des Feldes in den Polen herbeiführt. Das Relais 'kann
so in: der- einen oder anderen als Frequenzrelais beispielsweise zur Herbeiführung
von Synchronisiervorgängen verwendet werden. Bei der Synchronisierung zweier Wechselspannungen
würde das Relais. mit der Frequenzdifferenz, soweit es aus mec'hanisc'hem Gründien
folgen kann, hin und her pendeln, um schließlich bei Frequenzgleichzeit je nach
der Phasenlage oder beiden Spannungen die Mittelstellung bei gleicher Phase oder
eine Endeinstellung einzunehmen.
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Der einfachste Aufbau für ein Wechselstromrelais gemäß der Erfindung
ergibt sich zweifellos für ein Überstromrelais, dessen Charakteristik im wesentlichen:
durch das, Anzugsmoment. zur Erzeugung eines genügenden: Kontaktdruckes und gegebenenfalls
durch ,die Ansprechzeit bestimmt ist. Hierbei bietet die Erfindung den Vorteil,
daß bei gleicher Leistungsaufnahme, wie sie für ein Dreheisenrelais erforderlich
ist, beim Hystereserelais ein höheres Drehmoment erzielt werden kann. Außerdem besitzt
das Verstellglied ein wesentlich kleineres Trägheitsmoment, wodurch sich eine höhere
Ansprechgeschwindigkeit ergibt.
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je nach den Bedingungen, die das Relais zu erfüllen hat, kann es als
abhängiges Überst!romzeitrelaiis, als begrenzt abhängiges oder als unabhängiges
Überstromzeitrel;ais ausgelegt werden. Zunächst läßt sich der Aufbau des Relais
gegenüber den dargestellten Ausführungsbeispielen .dadurch vereinfachen, daß nur
eine Stromspule notwendig ist und das Waniderfel-d (durch Aufspaltung des Triebkernes
ähnlich wie beim Ferrari.srelais erzeugt wird. Im Gegensatz zum Dreheiseninstrument
kann nun die Stromabhängigkeit durch Wahl des ferromagnetischen Stoffes beeinflußt
werden, indem man: einen Stoff wählt, der eine allmählich ansteigende Sättigungsiniduktion
bei möglichst geringerAnfangspermeabilität besitzt. Zunächst kann dann, durch den
konstruktiven Aufbau des Gerätes, nämlich Größe des Eisenkernes, Luftspalt und Gegendrehmoment
sowie auch durch; die Trägheit des Verstellteiles die untere Ansprechgrenze für
einen Überstrom festgelegt werden, so daß dieser im Verstellteil selbst zunächst
kein nennenswertes Drehmoment ausübt. Mit ansteigender Sättigung, die beispielsweise
bei gehärtetem Stahl oder einer Ni-Al-Eisen-Legierung, gegebenenfalls mitKobaltzusatz
(Honda-I"'Oerzit), anfangs sehr gering ist, tritt dann bei voller Sättigung ein
Kräftedrehmoment auf, das die anfänglich untersynchrone Verstellung in eine synchrone
übergehen läßt. Wenn ,die Gegenkraft der Feder genügend groß ist, erfolgt auch eine
synchroneVerstellung bei geringer Sättigung ,des Materials. Im ungesättigten Bereich
hängt die Größe der Verstell'kraft von der Größe der Erregung und dem Sinus des
Winkels zwischen beiden Erregerflüssen ab. Ist die Sättigung des magnetischen Werkstoffes
erreicht, so ist die Größe -der Verstellkraft nicht mehr von der Größe der Erregerflüsse,
sondern: nur noch von dem Sinus des eingeschlossenen Winkels zwischen beiden magnetischen
Erregerflüssen abhängig. Besonders geeignet ist eine Nickel-Kobalt-Legierung, die
nur 5'°/o Eisen enthält und bei der die Sättigungskurve bis zu einer verhältnismäßig
großen Feldstärke ganz allmählich ansteigt, dann aber plötzlich exponential zunimmt.
Für diese Stoffe verläuft auch die Abschaltzeit nach einer sehr günstigen Kennlinie,
so daß d'ie Abschaltung erst nach erheblichem Sinken des Überstromes stattfindet.
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Bei dem unabhängigen Überstromzeitrelais muß jedoch der Hysteresewerkstoff
so gewählt werden, daß bei entsprechend gewähltem Trägheitsmoment und Gegendrehmoment
bereits mit verhältnismäßig kleinen Erregerströmen die synchrone Geschwindigkeit
.des bewegten Verstellteiles erreicht wird. Hierfür sind vor allem Legierungen mit
hoher Anfangssättigung und' verhältnismäßig geringer Koerzitivkraft, aber großer
Remanenz geeignet. Zu diesen Stoffen -gehören vor allem Dynamostahl und Nickel-Kupfer-
oder Nickel-MolybdänrEisen-I-,egierungen (wie Legierung io4o oder Permalloy).
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Wird das Hystereserelais alis Richtungsrelais verwendet, so kommt
vor allem die in den Beispielen dargestellte Ausführungsform in Frage. Der Hysteres-ewerl<stoff
braucht hierbei nicht so weit ausgesteuert zu werden, daß er gesättigt ist. Die
Richtungsumkehr des Verstellteiles wird .durch die Phasenlage der beiden Magnetflüsse
in den Polpaaren 2, q. und 3, 5 bestimmt. Ihre Richtung. und Größe hängen proportional
von den Strömen und deren Phasenlage zueinander ab. Mit größer werdendem Phasenwinkel
nimmt das Drehmoment
von Null: ausgehenrdi mit dem Sinus des Winkels
zu. Das Maximum ist bei 9o° erreicht, und das Drehmoment, fällt bis zu einem Winkel
von iäo° wieder ab. Vergrößert sich der Phasenwinkel weiterhin über ,18o', so kehrt
sidh die Richtung des Drehmomentes um. Der Arbeitsbereich des Richtungsrelais liegt
also zwischen diesen beiden Phasenwinkeln. Mit besonderem Vorteil ist ein solches
Phasenrelais in Stromkreisen verwendbar, in .denen Ul#erstrrom:zeitrelais nachgeschaltet
sind, die eine verhältnismäßig kurze Ansprechzeit besitzen. Das Richtungsrelais
soll: hier ein äußerst kleines Trägheitsmoment und eine großeAnsprechgeschwindigkeit
besitzen. Diese Vorzüge sind durch das Hystzreserelais. gegeben.
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Einen ähnlichen Aufbau besitzt auch im Prinzip ein Leistungsrelais,
bei dem außer dem Phasenwinkel auch die Größe .der Erregerströme eine Rolle spielt.
Die beiden Magnetsysteme müssen weitgehend entkoppelt -sein, damit bei Erregung
der einen Spule kein Streufluß im :anderen Spulensystem entsteht und dadurch einstörendes
und das Ergebnis fälschendes Drehmoment erzeugt. Es ist daher zweckmäßig, für das
Leistunigsrelais@ getrennte magnetische Systeme. zu verwenden, wobei also .die Spulen
2, 4 und 3, 5 je auf einem besonderen Kern angeordnet sind. Diese können z. B. als
Ringspulen aus:gebild#--t sein, die einen Magnetfluß in einem U-förmig gebogenen
Blechteil erzeugen, der mit vorspringenden und auf d'en Umfang des Verstellteils
einwirkenden Polen versehen ist. Hierbei kann durch die große Polzahl eine verhältnismäßig
langsame Drehbewegung bei synchronem Lauf des Verstellteils erzielt werden. Dies
ist beispielsweise von besonderer Bedeutung für Relais mit mehrfacher Kontaktgabe
beispielsweise zur Einstellung des Leistungsfaktors in Verbraucheranlagen, bei denen
nacheinander induktive oder kapazitive Belastungen in den Stromkreis eingeschaltet
werden.
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Die fast iallinähliche Verstellung .des Schaltgliedes wird durch .die
Längsinduktion des ferromagnetischen Stoffes erreicht, so daß es sich infolge des
Längsverlaufes der Kraftlinien an seinem Umfang je nach: der Größe des magnetischen
Flusses von einem Pol zum anderen verschiebt.