DE947812C - Schalteinrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise, insbesondere Starkstromkreise, mit durch ein Magnetfeld betaetigtem Schaltelement - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 23. AUGUST 1956

p 51871 VIIIb j 21c:D

ist als Erfinder genannt worden

betätigtem Schaltelement

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise, insbesondere Starkstromkreise, mit durch ein Magnetfeld betätigtem Schaltelement, beispielsweise für Relais der verschiedensten Art, Schütze, Niederspannungs- und Hochspannungsschalter, Gleich- und Wechselrichter und Zerhacker. Man hat bisher für ganz spezielle Zwecke beispielsweise schon Relais gebaut, deren durch ein Magnetfeld betätigter Anker eine Schaltzeit von etwa io~³ see aufweist; doch lassen sich die dabei zur Anwendung gelangenden Bauprdnzipien keineswegs allgemein anwenden, etwa zum Bau von Starkstromschaltern. Im eigentlichen Schalterbau liegen die bisher erreichten Schaltzeiten im Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen hundertstel Sekunden. Nun läßt sich aber zeigen — und dies ist eine der charakteristischen Erkenntnisse, die der Erfindung zugrunde liegen —, daß selbst eine Sohaltzeit von ι ms gegenüber den heute üblichen Konstruktionen

noch keine entscheidenden Vorteile brächten. Betrachtet man z. B. einen Wechselstrom der gebräuchlichen Frequenz von. 50 Hz, so beträgt der Momentanwert dieses Stromes 1 ms, d. h. i8° elektrisch, vor oder nach dem Stromnulldurchgang noch rund 44% seines Effektivwertes oder 31% seines Höchstwertes. Würde in diesem Moment geschaltet — dies wäre ja notwendig, damit bis zum Nulldurchgang der Schaltweg zurückgelegt ist —, so würde trotzdem noch eine sehr starke Beanspruchung der Kontakte zustande kommen. Es sind außerdem in Starkstrom-, Gleich- oder Wechselstromanlagen Stromanstieggeschwindigkeiten bei Störungen in Form von Überlastungen und Kurz-Schlüssen in der Größe von 1 bis 10 · io⁶ Amp./sec keine Seltenheit. Dies würde aber bedeuten, daß in ι ms der Strom bis zu 10 000 Amp. zunimmt, also meist um ein Vielfaches des Nennstromes. Dies ist von großer Bedeutung, wenn z. B. durch eine derartige Einrichtung Impedanzen so schnell eingeschaltet werden sollen, daß der Kurzschluß strom nur noch einen kleinen Bruchteil seines sonstigen Wertes erreicht. Umfangreiche Versuche haben ferner gezeigt, daß in Drehstromanlagen sich in der Zeit von 1 ms vor Stromnulldurchgang bis zum Nulldurchgang selbst zweipolige Lichtbogenkurzschlüsse noch in einem erheblichen Prozentsatz in dreipolige verwandeln, während in einem Zeitabstand von weniger als 3 · 10—* see ein Übergang von zwei- in dreiphasigen Kurzschluß praktisch nicht mehr auftritt. Dies aber ist eine wichtigeVoräussetzung für die Anwendung einer Synchronsteuerung in Mehrphasenanlagen. Bei Mehrphasengleichrichtern beträgt- erfahrungsgemäß die Kommutierungszeit, in elektrischen Winkelgraden ausgedrückt, etwa 15⁰, entsprechend 0,83 ms. Daraus erkennt man klär, daß erst Schaltzeiten, die wesentlich unter 1 ms liegen, insbesondere kleiner als 3 · 10— ⁱ see sind, gestatten, die Abschaltung des Stromes einzuleiten, wenn der Strom bereits auf einen kleinen Bruchteil des Gleichstromwertes abgesunken ist. Bei mechanischen Gleichrichtern insbesondere wird man also Schaltzeiten anstreben, die noch unter io~⁴ see liegen. Schließlich sind speziell Relais für Synchronsteuerung und Einrichtungen zur Unterdrückung des Kurzschluß stromes durch schnellstes Einschalten von Impedanzen nur sinnvoll bei Schaltzeiten in der Größenordnung von 5 · io"~⁵ see und weniger. Zusammenfassend erkennt man also, daß die Schaltzeit von 3 · io~~⁴ see tatsächlich eine scharfe Schranke darstellt, oberhalb der die heute üblichen Schalteinrichtungen liegen und unterhalb der sich — wie oben gezeigt wurde — eine ganze Reihe neuartiger Söhalteinrichtungen, die große technische und wirtschaftliche Vorteile bieten, verwirklichen lassen.

Untersucht man Einrichtungen mit magnetisch betätigtem Schaltelement beliebiger Art," so findet man, was sich auch theoretisch erklären läßt, daß die Schaltzeit t sich mit praktisch genügender Genauigkeit ausdrücken läßt durch eine Größe A, die im folgenden Anordnungsgröße genannt ist, und eine zweite Größe D, die als Dimensionierungsgröße . bezeichnet ist. Es besteht dann die Beziehung: ί = A · D. Die Anordnungsgröße A ist weitgehend unabhängig von den Abmessungen des Schaltelements, wird jedoch in ihrem Wert stark beeinflußt durch die Massenverteilung, das Verhältnis der magnetischen zur elektrisch leitenden Masse, durch den Winkel zwischen resultierendem magnetischem Feld im Luftspalt und der Längsachse des Schaltelements. Je geschickter die Anordnung getroffen wird, desto kleinere Werte nimmt die Anordnungsgröße an. Von besonderer Bedeutung für die Erzielung kleiner Schaltzeiten ist die Dimensionierungsgröße D, die durch nachstehende Beziehung

gegeben ist: D =l/4f-. Hierin bedeutet 1 die mitt-

lete· Flußweglänge im Schaltelement in cm, χ den magnetischen Arbeitsluftspalt in cm, der in vielen Fällen praktisch gleich dem Schaltweg ist und B ein zeitlich und räumlich genommener Mittelwert der magnetischen Induktion im Schaltelement und im Arbeitsluftspalt. Es ist dabei vorausgesetzt, daß Querschnitt und Polfläche des Schaltelements ungefähr gleich groß sind, so daß die magnetische Induktion im Schaltelement und im Arbeitsluftspalt auch ungefähr gleich groß sind.

Die Einrichtung nach der Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, daß zur Erzielung von Schaltzeiten von weniger als 3 · io~ⁱ sec die DimensionierungsgrößeiD kleiner ist als 1,5 ■ io~⁵cm/ Gauß. Je nach den gegebenen Verhältnissen kann dies also durch entsprechende Wähl von Länge, Arbeitsluftspalt und magnetischer Induktion erfolgen, wobei zu beachten ist, daß durch die Höhe der magnetischen Induktion, d. h. die gewählte Sättigung, der Querschnitt des magnetisierbaren Teiles des Schaltelementes in einem bestimmten Ausmaß festgelegt ist. Für noch kleinere Schaltze'iten von z. B. 1O^-4 see und weniger wird man mit Vorteil das Schaltelement so ausbilden, daß seine Dimensionierungsgröße D kleiner als 0,5 · 10—⁵ cm/ Gauß ist. Bei vielen Anwendungen erweist es sich als zweckmäßig, wenn die Länge des Schaltelementes höchstens gleich 1 cm ist. Bei anderen Ausführungen ist es vorteilhaft, einen Arbeitsluftspalt von höchstens 0,01 cm vorzusehen. Will man vermeiden, daß ein Prellen der Kontakte auftritt, so wird man den Schaltweg zweckmäßigerweise unter denjenigen Grenzwert legen, bei dem bei der vorhandenen Körperdämpfung der verwendeten Werkstoffe noch ein Prellen auftritt. Schließlich _wird man mit Vorteil der mittleren· Induktion B im Schaltelement bzw. im Arbeitsluftspalt einen Wert von mindestens 10 000 Gauß geben. Beispielsweise erhält man für 1 ="1 cm, x = o,or cm und ΰ=ΐοοοο Gauß eine Dimensionierungsgröße D = 10-⁵ cm/Gauß.

Wie bereits erwähnt, spielt für die Schaltzeit t neben der Dimensionierungsgröße D noch die Anordnungsgröße A eine Rolle. Immerhin läßt sich diese Größe A nicht in einem so weiten Bereich verändern wie die Dimensionierungsgröße D. Von Einfluß ist insbesondere die Art der Lagerung des Schaltelementes. Es zeigt sich, daß bei sonst

gleichen Abmessungen bei rein translatorischer Bewegung des Schaltelementes die Anordnungsgröße am größten wird, da hierbei die gesamte Masse des Schaltelementes beschleunigt werden muß. Man wird daher für kurze Schaltzeiten eine solche Lagerung des Schaltelementes vorsehen, die Drehbewegungen des Schaltelementes ergibt, insbesondere Drehbewegungen um die Schwerachse oder eine Achse, die der Schwerachse unmittelbar benachbart

ίο ist. Es sind in manchen Fällen Einrichtungen besonders zweckmäßig, die für die Betätigung des Schaltelementes möglichst wenig Amperewindungen benötigen. Das erreicht man mit Vorteil mit einem Schaltelement, das sich annähernd um sein eines Ende dreht, wobei der Luftspalt an diesem Ende höchstens ein Zehntel des Arbeitsluftspaltes beträgt. Um eine sichere Kontaktberührung an beiden Enden des Schaltelementes zu gewährleisten, wird man ferner mit Vorteil eine solche Lagerung wählen, daß für die Bewegung des Schaltelementes mindestens zwei, im allgemeinen jedoch drei Freiheitsgrade zur Verfugung stehen. Es ist weiter zweckmäßig, die gesamte bewegte Masse des Schaltelementes möglichst klein zu halten. Eine diesbezüglich vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn das Schaltelement aus einem magnetisierbaren Anker besteht, der zugleich als Strombrücke ausgebildet ist und in der Nähe seiner Enden die bewegten Schaltstücke trägt. Falls es nötig ist, zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in der Durchgangsrichtung des Stromes noch zusätzliche gutleitende Massen, z. B. aus Kupfer oder Silber, anzuordnen, so wird man mit Vorteil darauf achten, daß diese Massen höchstens ein Drittel der aus magnetischen Gründen notwendigen Masse betragen. Die Kontakte werden zweckmäßigerweise so leicht ausgeführt, daß ihre Masse höchstens ein Zehntel der aus magnetischen Gründen erforderlichen Masse ist. Im Grenzfall kann dem magnetisierbaren Material des Ankers praktisch die gesamte Stromleitung übertragen werden, und es sind an den Kontaktflächen nur dünne Überzüge oder Plattierungen vorzusehen, so daß also die Zusatzmassen für Stromleitung und Kontaktausbildung praktisch vernachlässigbar sind. Um eine möglichst günstige Ausnutzung der magnetischen Zugkraft zu erreichen, wird man das Schaltelement in bezug auf die feststehenden magnetischen Gegenpole so anordnen, daß der Winkel zwischen magnetischer Zugkraft und Längsachse des Schaltelementes größer als 70° ist, d. h. die Zugkraft möglichst senkrecht zur Längserstreckung des Schaltelementes steht. Bei Verwendung von Schaltelementen, die sich um ihre Schwerachse drehen und die neben der aus magnetischen Gründen erforderlichen Masse möglichst geringe Zusatzmassen aufweisen, lassen sich Anordnungsgrößen A von 12 Gauß · sec/cm erreichen. Falls zugleich die Dimensionierungsgröße den Wert von etwa 0,4 ■ 10—⁵ cm/Gauß hat, lassen sich mit einem solchen Schaltelement Schaltzeiten in der Größenordnung von 5 · io~⁵ see erreichen. Es ist von Bedeutung, wenn der elektrische Längswiderstand des Schaltelementes höchstens gleich dem gesamten Kontaktwiderstand bei größtem Anpreßdruck der Schaltkontakte ist. 6g

Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, daß das Schaltelement durch eine Rückzugskraft wieder in seine Ursprungsstellung zurückgeht, sobald das Magnetfeld verschwindet. Es gibt Ausführungen, bei denen die Rückstellung relativ langsam erfolgen kann, bei anderen, z. B. bei Gleich- und Wechselrichtern, ist es jedoch wichtig, daß auch die Rückstellung möglichst schnell erfolgt. Man wird dann die Einrichtung zweckmäßigerweise so ausbilden, daß die Rückstellkraft zwar kleiner, jedoch etwa von gleicher Größenordnung wie die magnetische Antriebskraft ist, mindestens jedoch 20% der magnetischen Antriebskraft beträgt. Für sehr viele Fälle ist es zweckmäßig, eine Rückzugskraft elastischer Art vorzusehen, wobei jedoch für kleine Schaltzeiten die Anordnung mit Vorteil so zu treffen ist, daß die zusätzlich bewegte elastische Masse höchstens mit einem Fünftel der aus magnetischen Gründen erforderlichen Masse des Schaltelementes zur Wirkung kommt. Selbstverständlich können jedoch auch Rückzugskräfte anderer Art, z. B. magnetische Kräfte, die Schwerkraft oder Zentrifugalkräfte zur Anwendung gelangen.

In den Fig. 1 und 2 ist eine beispielsweise Ausführungsform einer Einrichtung mit einem Schaltelement gemäß der Erfindung dargestellt, wobei alle zur Erläuterung der Erfindung nicht notwendigen Teile weggelassen sind.

Fig. ι zeigt im wesentlichen eine beispielsweise Anordnung und Ausführung des Schaltelementes,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Schaltelementes nach Fig. 1.

Es bedeutet in diesen beiden Figuren 1 das Schaltelement, das sich um die Achse 2 dreht, welche beispielsweise als dünne Torsionsfeder ausgebildet ist und eine so geringe Biegefestigkeit aufweist, daß die Bewegung des Schaltelementes neben der Drehung auch noch translatorisch mindestens in einer, meist aber in zwei Richtungen erfolgen kann, d. h. die Bewegung erfolgt mit mindestens zwei Freiheitsgraden; 3 sind die beweglichen Kontaktstücke, welche über eine gutleitende Lamelle 4 miteinander verbunden sind. DieübrigenLamellenS des Schaltelementes 1 bestehen aus einem gutmagnetisierbaren Material, insbesondere Eisen, und werden zur Stromleitung mit herangezogen; 6 sind feststehende Anschläge, die erforderlichenfalls auch als Ruhestromkontakte ausgeführt sein können; 7 sind die feststehenden Kontakte und 8 die Magnetpole des beispielsweise elektromagnetisch erzeugten Magnetfeldes. Um möglichst kleine Schaltzeiten zu erreichen, beträgt die zusätzliche Masse der beweglichen Kontakte 3 und der gutleitenden Lamelle 4 nur einen geringen Bruchteil der Masse der Lamellen 5. Ferner ist der Winkel α zwischen der magnetischen Achse des Schaltelementes und der Richtung des magnetischen Feldes im Arbeitsluftspalt größer als 70⁰. Die von den Abmessungen unabhängige AnordnungsgrößeA beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 10 Gauß · sec/cm. Aus der Beziehung für die

Dimensionierungsgröße D ergibt sich, daß das Produkt aus der Länge Z des Schaltelementes i, welche bei dessen Gestalt der mittleren Flußweglänge in diesem praktisch gleichzusetzen ist, und dem Luftspalte möglichst klein sein soll. Diese Forderungen lassen sich mit einem Schaltelement nach den Fig. ι und 2 verwirklichen. Bei einer Länge Z des Schaltelementes von ι cm, einem Arbeitsluftspalt χ von 0,01 cm und einer mittleren Induktion E von iooooGauß ergibt sich mit der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 eine Schaltzeit von ungefähr io~4 see. Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Wird das Feld erregt, wobei im allgemeinen darauf zu achten ist, daß die Zeitkonstante des Steuerstromkreises kleiner ist als die angestrebte Schaltzeit, so beginnt sich das Schaltelement ι im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Meist wird einer der beiden beweglichen Kontakte 3 zuerst "zur Berührung mit dem Gegenkontakt 7 gelangen. Infolge der geringen Biegesteifigkeit der Torsionsfeder, oder allgemeiner ausgedrückt, da das bewegliche System mindestens zwei Frei'heitsgrade hat, kommt aber unmittelbar darauf auch der zweite Kontakt zur Berührung. Damit ist der Arbeitsluftspalt χ beidseitig vollständig durchlaufen und der Stromkreis geschlossen. Soll dagegen eine Unterbrechung eines Stromkreises hervorgerufen werden, so werden die Anschläge 6 als feststehende Kontakte ausgeführt. Sowie das Magnetfeld erregt wird, beginnt der Unterbrechungsvorgang. Eine Unterbrechung kann aber auch durch die Federkraft erfolgen, wenn die Kontakte 7 mit Strom gespeist sind. Die Abschaltung erfolgt dann, wenn das Magnetfeld verschwindet. Werden die Verhältnisse so gewählt, daß eine lichtbogenfreie Unterbrechung zustande kommt, so kann die Abschaltung schon beendet sein, längst bevor der gesamte Arbeitsluftspalt χ durchlaufen ist, d^ Ii. es können dannUnterbrechungszeiten erreicht werden, die noch unter io~⁵ see liegen.

Claims (15)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Schalteinrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise, insbesondere Starkstromkreise, mit durch ein Magnetfeld betätigtem Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung einer Schaltzeit von weniger als 3 · io~⁴ see das Verhältnis aus der Wurzel des Produktes von mittlerer Flußweglänge (Z) im Schaltelement und Länge des magnetischen Arbeitsluftspaltes (x) zum Mittelwert der magnetischen Induktion (Bl im Arbeitsluftspalt kleiner als 1,5 · io~⁵ cm/Gauß ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Schaltzeiten von 1O^-4 see und weniger das Verhältnis aus der Wurzel des Produktes von mittlerer Flußweglänge (Z) im Schaltelement und Länge des magnetischen Arbeitsluftspaltes (x) zum Mittelwert der magnetischen Induktion (B) im Arbeitsluftspalt' kleiner als 0,5 · io~⁵ cm/Gauß ist.
3. 3. Einrichtung nach' Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Flußweglänge (Z) im Schaltelement höchstens 1 cm ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Arbeitsluftspaltes (x) höchstens 0,01 cm ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch r, gekennzeichnet durch eine derartige Lagerung des Schaltelementes, daß es bei seiner Betätigung mindestens eine Drehbewegung ausführt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung annähernd um die Schwerachse erfolgt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine derartige Lagerung des Schaltelementes, daß es sich bei seiner Betätigung mindestens annähernd um sein eines Ende dreht, wobei die Länge des Luftspaltes an diesem Ende höchstens ein Zehntel der Länge des Arbeitsluftspaltes (x) beträgt.
8. 8. Einrichtung nach Anspruchs, gekennzeichnet durch eine derartige Lagerung des Schaltelementes, daß für die Bewegung des Schaltelementes mindestens zwei Freiheitsgrade -zur Verfügung stehen.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement als magnetisierbarer Anker ausgebildet ist, der zugleich als Strombrücke dient und in der Nähe seiner Enden die beweglichen Schaltstücke trägt.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in Durchgangsrichtung des Stromes hinzugefügte Masse höchstens ein Drittel der aus magnetischen Gründen notwendigen Masse beträgt.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der beweglichen Kontakte höchstens ein Zehntel der aus magnetischen Gründen erforderlichen Masse beträgt.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der resultierenden, die Zugkraft bewirkenden magnetischen Induktion im Luftspalt und der Längsachse des Schaltelementes größer als 70⁰ ist.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 1, insbesondere für Starkstromzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Längswiderstand des Schaltelementes höchstens gleich dem gesamten Kontaktwiderstand bei größtem Anpreßdruck ist.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der auf das Schaltelement außer der magnetischen Antriebskraft eine Rückzugskraft wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückzugskraft im

    . Arbeitszustand des Schaltelementes mindestens 20% der mittleren magnetischen Antriebskraft beträgt.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückzugskraft

    elastischer Art ist, wobei die für die Rückzugskraft erforderliche bewegte, zusätzliche, elastische Masse höchstens mit einem Fünftel der aus magnetischen Gründen erforderlichen Masse zur Wirkung kommt.

    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 492 698; schweizerische Patentschrift Nr. 221 448; französische Patentschriften Nr. 878 429, 879 205.

    Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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