DE966844C

DE966844C - Elektrischer Steuermagnet

Info

Publication number: DE966844C
Application number: DEV2837A
Authority: DE
Inventors: Walter Otto Wilhelm Broberg; Sten Daniel Vigren; Rolf Albin Zander
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-06-22
Filing date: 1950-11-10
Publication date: 1957-09-12
Also published as: NL89631C; CH301930A; NL161696B; NL161450B; NL87835C; FR1033576A; US2693554A; CH307457A; US2786163A; DE865332C; GB697553A; BE504146A; CH305545A; BE503963A; US2913551A; FR1037927A; DE878245C; GB697758A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Steuermagneten, z. B. für elektrische Schaltgeräte wie Relais u. dgl., mit einer Spule zur Speisung eines starren magnetischen Kreises mit wenigstens zwei seitlich nebeneinander liegenden Schenkeln und mit einem den magnetischen Fluß in der Querrichtung zwischen den Schenkeln leitenden Anker, der um eine zur Längserstreckung der Schenkel senkrechte Drehachse beweglich ist und mit mindestens einer mit der gemeinsamen Ebene der Schenkel wenigstens annähernd parallelen Polfläche an wenigstens einem der Schenkel zusammenwirkt.

Es sind schon Relais dieser als Flachrelais bezeichneten Art bekannt, die besonders in Fernmeldeanlagen eine weite Verwendung gefunden haben. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist, einen Steuermagneten für solche Relais und ähnliche Schaltgeräte, z. B. Koordinatenwähler, zu schaffen, der im Vergleich zu bisher bekannten Anordnungen eine sehr große Empfindlichkeit aufweist. Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Verkürzung der radialen Abmessungen des Ankers ein beträchtlicher Zuwachs an Empfindlichkeit erhalten werden kann. Es läßt sich zeigen, daß bei Veränderung der Ankerlänge ein Optimum der Stromempfindlichkeit erhalten wird, bei dem für eine gegebene Last der Anker gerade anzieht. Jedoch müssen dabei bestimmte Bedingungen erfüllt werden. Eine dieser Bedingungen besteht darin, daß

709 672/72

der magnetische Streufluß zwischen den verschiedenen Teilen des starren magnetischen Kreises des Relais durch die Luft hindurch möglichst klein gehalten wird Eine andere Bedingung ist, daß der Anker keinen Kurzschlußweg für den magnetischen Fluß bilden darf Mindestens eine dieser Bedingungen ist bei bekannten Bauformen von Flachankerrelais nicht erfüllt. Es wurde gefunden, daß das Ziel der Erfindung nicht erreicht werden kann, wenn nicht mindestens eine ίο Polfläche an einem Schenkel vorhanden ist, die nicht wenigstens in der Ruhestellung des Ankers außer magnetischem Kontakt mit diesem ist.

Diese Überlegungen führen zu dem Flachrelais nach

der Erfindung, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Drehachse des Ankers in der vorderen Hälfte der von dem starren magnetischen Kreis und dem Anker gebildeten Anordnung liegt und daß das magnetisch leitende Material des Ankers wenigstens in dessen Ruhelage mindestens einen mit einer Polfläche versehenen Schenkel nicht berührt.

Die Erfindung wird in Einzelheiten im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. In dieser bedeutet Fig. ι eine vereinfachte Darstellung der üblichen Ausführung eines Flachankerrelais, Fig. 2 die Grundzüge eines erfindungsgemäßen Relais zum Vergleich mit dem nach Fig. i,

Fig. 3 eine abgewandelte Form, ebenfalls in den Grundzügen zum Vergleich mit Fig. ι und 2, Fig. 4 eine Ausführung des Relais nach der Erfindung im Grundriß,

Fig. 5 dasselbe Relais in Seitenansicht, Fig. 6 dasselbe Relais, vom Ankerende her gesehen, Fig. 7 dasselbe Relais in der Ansicht von unten, Fig. 8 den magnetischen Kreis desselben Relais mit Kern, Brücke und Anker im Grundriß, Fig. 9 eine andere Ausführungsform im Grundriß, Fig. io die Seitenansicht zu Fig. 9, Fig. 11 die Ansicht vom Ankerende her zu Fig. 9, Fig. 12 die Ansicht von unten, Fig. 13 den Anker zu dem Relais nach Fig. 9 bis 12 im Grundriß,

Fig. 14 den starren Teil des magnetischen Kreises zu Fig. 9 bis 12 im Grundriß,

Fig. 15 eine Abwandlung des magnetischen Kreises in Seitenansicht,

Fig. 16 den Grundriß zu Fig. 15, Fig. 17 eine weitere Abwandlung des magnetischen Kreises in Seitenansicht,

Fig. 18 den Grundriß zu Fig. 17, Fig. 19 eine weitere Ausführungsform des Relais im Grundriß,

Fig. 20 die Seitenansicht zu Fig. 19, Fig. 21 die Ansicht vom Ankerende her zu Fig. 19, Fig. 22 die Ansicht von unten,

Fig. 23 den Anker zu dem Relais nach Fig. 19 bis 22 im Grundriß,

Fig. 24 den starren Teil des magnetischen Kreises zu Fig. 19 bis 22 im Grundriß.

Fig. ι zeigt, wie erwähnt, den sehr häufig benutzten Typ eines Relais mit flachem Anker (Flachanker-Relais). Eine Spule 2 umgibt einen Magnetkern 1, der rückwärts in ein Quer j och 3 aus ferromagnetischem Material ausläuft. Es bildet die Brücke des Relais und ist an beiden Enden mit einem bogen- oder U-förmigen Anker 4 verbunden, der an ihm drehbar gelagert ist und sich mit je einem Schenkel zu beiden Seiten der Wicklung 2 erstreckt. Der Anker bildet mit einem die beiden Schenkel verbindenden Teil eine Ankerzunge 5, deren eine Fläche von der ihr gegenüberliegenden Polfläche 6 des Kernes 1 beeinflußt wird. In der Ruhelage bildet der Anker 4, 5 mit der Ebene der Polfläche 6 einen Winkel Ct₁, der durch die Ankerlänge und das verlangte Bewegungsspiel irgendeines Punktes, z. B. des Punktes 7 am freien Ankerende bestimmt ist. An diesem Punkt kann ein Stift zur Betätigung eines auf dem Relais angeordneten Federpaketes angebracht sein. 8 ist die der Drehachse zunächst liegende Begrenzungslinie der Ankerfläche.

Es ist leicht einzusehen, daß der Winkel a_x und der Abstand der Punkte 7 und 8 im Vergleich zur ganzen Ankerlänge vergleichsweise klein sind, der Unterschied der Luftspaltlängen bei 7 und 8 also vernachlässigbar ist. Dies gilt für die Ruhelage wie für die Schaltstellung des Ankers. In der Schaltstellung ist die Länge des Luftspaltes durch einen in Fig. 1 nicht gezeichneten Klebstift bestimmt, der verhindern soll, daß der Anker nach dem Abschalten des Stromes durch den remanenten Magnetismus gehalten wird. Der Angriffspunkt der Resultierenden der Anziehungskräfte liegt zwischen den Punkten 7 und 8, praktisch gleich weit von 7 und 8 entfernt, vielleicht etwas näher an Punkt 8 heran. Da der Anker im wesentlichen eine translatorische Bewegung ausführt, ist die Verteilung des magnetischen Widerstandes im Luftspalt praktisch konstant. Sollte sich der Angriffspunkt der Resultierenden dennoch in Richtung auf Punkt 8 während der Ankerbewegung verschieben, so beruht dies auf Sättigungsbedingungen im Anker. Eine solche Verschiebung ist aber ohne praktische Bedeutung, da die Weglänge einer solchen Verschiebung immer vernachlässigbar klein ist im Verhältnis zum Abstand zwischen dem Drehpunkt des Ankers und dem Kraftangriff. Das Verhältnis der Resultierenden der Anziehungskräfte zu der im Punkt 7 wirksamen Kraft kann also als praktisch konstant angesehen werden.

Bei dem Relais nach der Erfindung, wie es in Fig. 2 ;ezeigt ist, liegen die Verhältnisse ganz anders. Die gestrichen bezeichneten Teile der Fig. 2 entsprechen denen in Fig. 1.

Die Anordnung nach Fig. 2 erfüllt die Bedingung, daß die Ankerdrehachse in der vorderen Hälfte der von dem starren magnetischen Kreis und dem Anker gebildeten Anordnung liegt. Mit anderen Worten, der Luftspalt ist in der Ruhelage des Ankers bei 8' bedeutend kürzer als bei 7', während dieser Unterschied in der Schaltstellung bedeutend geringer ist und bis auf Null abnehmen kann. Dies wurde dadurch erreicht, daß die Jochschenkel 3' seitlich an der Wicklung 2' vorgezogen wurden und den magnetischen Fluß bis zu dem Anker führen, der verhältnismäßig kurz und an den Jochschenkeln gelagert ist.

Unter der Annahme gleicher Weglänge für die Punkte 7 und 7' ist nun der Winkel a₂ zwischen Ankerzunge und Polfläche des Kernes 1' bedeutend größer als vorher der entsprechende Winkel a_v Sei nun angenommen, daß der Punkt 7' festgehalten und der Dreh-

punkt stetig unter entsprechender Verkürzung der Ankerlänge von dem rückwärtigen Jochende nach der Relaisvorderseite verlegt wird, so findet man, daß eine merkliche Änderung des Winkels a₂ erst auftritt, nachdem der Drehpunkt die Relaismitte überschritten hat, und um so stärker, je mehr er sich dem Punkt 8' nähert. Um einen beträchtlichen Unterschied in den Spaltlängen bei 7' und 8' zu erhalten, muß der Ankerdrehpunkt bei dem betrachteten Relaistyp in der to vorderen Relaishälfte liegen, und je näher er bei Punkt 8' liegt, um so größer wird a₂ und die Spaltdifferenz zwischen 7' und 8'. Beide wären am größten, wenn der Anker in 8' gelagert würde, jedoch würde dann die innere Zungenkante für den magnetischen Fluß einen Kurzschluß zwischen Joch 3' und Kern 1' bilden. Aus diesem Grunde muß der Ankerdrehpunkt um einen gewissen Mindestbetrag von dem Punkt 8' entfernt liegen. Außerdem kann Sättigung vorüegen, die, wenn der magnetische Widerstand im Luftspalt zu klein wird, die Wirkung verschlechtern würde.

Der magnetische Widerstand im Luftspalt zwischen Ankerzunge und Polfläche ist bei dem Relais nach Fig. 2 beträchtlich kleiner als bei dem bekannten Typ nach Fig. 1. Entsprechend ist der mit einer gegebenen Amperewindungszahl verknüpfte Fluß im Luftspalt beträchtlich größer. Andererseits ist das Verhältnis der Hebelarme für die Schaltkraft und die Resultierende der magnetischen Anziehungskräfte merklich vergrößert, so daß letztere bedeutend erhöht werden müssen — auch bei gleichem Angriffspunkt zwischen 7' und 8' wie zwischen 7 und 8 —, um die gleiche Schaltkraft am Punkte 7' zu erhalten. Tatsächlich ist der Angriffspunkt aber beträchtlich nach dem Drehpunkt hin verschoben, da der magnetische Widerstand im Luftspalt längs der Anker zunge nicht mehr konstant ist, sondern in Richtung auf den Drehpunkt rasch abnimmt. Diese Verschiebung wächst mit dem Winkela₂, d. h. mit abnehmender Ankerlänge. Da die magnetische Wirkung eine quadratische Funktion des magnetischen Flusses ist, wird der Angriffspunkt der Resultierenden in der Ruhelage des Ankers verhältnismäßig nahe bei Punkt 8' liegen, wenigstens wenn die Bauteile so bemessen sind, daß eine merkliche Sättigung nicht auftritt.

Trotz dieser Verkürzung des Hebelarmes der Resultierenden ergibt sich ein Zuwachs an Drehmoment infolge der relativ stärker angewachsenen Anziehungskräfte. Es läßt sich zeigen, daß, wenn die Weglänge für 7' und die Zungenlänge 7' bis 8' konstant gehalten werden, folgende Beziehung zwischen der Schaltkraft bei 7' und der Ankerschenkellänge, d. h. dem Abstand zwischen Punkt 8' und dem Drehpunkt des Ankers besteht:

P = C ■ {r + a) · In

worin P die Schaltkraft bei 7', C eine durch die Abmessungen, Amperewindungen usw. des Relais bestimmte Konstante, r den Abstand zwischen 8' und dem Drehpunkt und α die Zungenlänge, d. h. den Abstand 7' bis 8', bedeutet.

Aus der Gleichung ergibt sich, daß P mit abnehmenden Werten von r zunimmt und sehr schnell für kleine r-Werte wächst. Für sehr kleine r-Werte gilt die Formel nicht mehr, jedoch tritt dann eine rasche Abnahme der Anziehungskräfte auf wegen des erwähnten magnetischen Nebenschlusses zwischen Joch 3' und Kern 1'. Ferner sind die mögliche Streuung und Sättigung noch nicht berücksichtigt.

Damit die Formel die tatsächlichen Verhältnisse wiedergibt, darf α nicht zu groß sein im Verhältnis zur Kernlänge, und der magnetische Widerstand in der Ankerzunge muß gegenüber dem im Luftspalt vernachlässigbar sein. Bei Versuchen wurden sehr gute Ergebnisse mit einem Relais mit folgenden Daten erhalten:

Kernlänge (von einem Ende zum anderen) . 92 mm

Spulenlänge 60 mm

Luftspalt am äußeren Zungenende 0,95 mm

Stärke des Klebstiftes am äußeren

Zungenende 0,05 bis 0,15 mm

Länge (a) zwischen dem äußeren und

inneren Zungenende 14 mm

Länge (r) zwischen dem inneren Zungenende

und dem Drehpunkt 5 mm ^

Der Luftspalt am inneren Zungenende beträgt dann 0,25 mm. Praktische Versuche haben gezeigt, daß die Amperewindungszahl ohne Schwierigkeiten für gleichbleibende Zungenbelastung um 50% und mehr verringert werden kann.

Bei dem Relais nach Fig. 1 wachsen die Anziehungskräfte während der Schaltbewegung, d. h. während sich der Anker der Polfläche nähert, und in der Schalt- ■ Stellung sind die Kräfte und Amperewindungen stark erhöht. Die Hebelarme für die Resultierende und die Schaltkraft sind dann praktisch gleich, und die Rückstellkraft für den Anker wird praktisch gleich der Resultierenden der Anziehungskräfte in der Schaltstellung.

Bei Relais bleibt gewöhnlich ein gewisser remanenter Magnetismus nach der Abschaltung des Stromes bestehen, der rasch mit abnehmendem magnetischem Widerstand des magnetischen Kreises wächst. Deshalb soll ein Klebstift einen gewissen Luftspalt in der Schaltstellung aufrechterhalten und das Kleben des Ankers verhindern. Er ist bei Telephonrelais gewöhnlich 0,15 mm stark. Damit aber ein bestimmter Schaltweg des Ankers erhaltenbleibt, muß der Luftspalt in entsprechendem Maße vergrößert werden, so daß er in der Ruhestellung gleich der Summe aus Stärke des Klebstiftes und Schaltweg wird. Dadurch wächst wieder die Amperewindungszahl und folglich der Stromverbrauch des Relais.

Bei dem erfindungsgemäßen Relais nach Fig. 2 nimmt der Luftspaltunterschied zwischen äußerem und innerem Zungenende bei der Schaltbewegung ab. Der Angriffspunkt der Resultierenden verschiebt sich dadurch vom Punkt 8' in Richtung nach der Ankermitte. Aber selbst wenn diese Verschiebung beträchtlieh sein sollte, bleibt doch der Hebelarm der Schaltkraft bei 7' verhältnismäßig beträchtlich länger als der der Resultierenden. Unter der Annahme gleicher Schaltkräfte bei 7 und 7' bleibt also der Kraftüberschuß des Relais in der Schaltstellung beträchtlich geringer, so daß der remanente Magnetismus nicht in

dem zuvor beschriebenen Maße zur Verhinderung des Klebens verkleinert werden muß. Dies sichert zusammen mit dem Umstand, daß der Zuwachs an Amperewindungen und Fluß in der Schaltstellung nach der Erfindung verringert werden kann, weil eine geringere Amperewindungszahl zur Schaltung benötigt wird, ein einwandfreies Abfallen, Infolgedessen kann der Luftspalt in der Schaltstellung !deiner gehalten werden, ohne ein Kleben befürchten zu müssen, mit ίο dem Vorteil einer nochmaligen Verringerung der benötigten Amperewindungszahl.

In diesem Zusammenhang mag erwähnt werden, daß bei dem zuvor beschriebenen Versuchsrelais ein Klebstift von 0,15 mm Höhe verwendet wurde, der am äußersten Ende der Ankerzunge saß; der Luftspalt bei 8' betrug nur 0,04 mm. In solchem Falle ist der magnetische Widerstand im Luftspalt in der Schaltstellung weniger von der Höhe des Klebstiftes beeinflußt, und die Wirkung ist dieselbe, als wenn ein ldeinerer Klebstift verwendet würde.

Das erfindungsgemäße Relais kann auch so bemessen sein, daß während der Schaltbewegung der Zunge zunächst an ihrem inneren Ende 8' Sättigung auftritt, die sich dann nach 7' zu ausdehnt, je mehr sich die Zunge der Polfläche nähert. Dies äußert sich in einer wachsenden Verlagerung des Angriffspunktes der Resultierenden in Richtung auf 7', so daß die Schaltkraft ebenso groß oder von derselben Größenordnung wird wie die Resultierende. Eine solche örtliche Sättigung kann auch in der Schaltstellung aufrechterhalten werden, z. B. wenn in dieser die Luftspalte bei 7' und 8' verschieden lang sind (wie dies bei dem Versuchsrelais der Fall war), und unterstützt werden durch geeignete Bemessung des Ankers und die Wahl geeigneten Materials, indem die Zunge nach auswärts wachsende Dicke erhält usw. Die kontinuierliche Verlängerung des Hebelarms der Resultierenden erlaubt einen beträchtlichen Anstieg der Ankerbelastung gegen Ende der Schaltbewegung, wie es z. B. nötig ist, wenn der ♦o Kontaktdruck für eine Anzahl Schaltfunktionen im allerletzten Bewegungsabschnitt anwächst.

Im Augenblick der Stromabschaltung verschwindet die Sättigung, der Angriffspunkt der Resultierenden der Remanenzkräfte »wandert» in Richtung auf Punkt 8', dadurch verkürzt sich ihr Hebelarm, die Ankerbelastung erhält das Übergewicht, und das Relais fällt ab.

Ein so arbeitendes Relais benötigt nur einen sehr kurzen Klebstift; in gewissen Fällen kann sogar auf ihn verzichtet werden. Soll der Effekt der örtlichen Sättigung besonders wirksam sein, so kann die Polfläche des Kerns und/oder die Zungenbreite — gemessen parallel zur Drehachse — schmaler gehalten werden. Um den wirksamen Querschnitt von Kern und/oder Zunge zu erhalten, können diese Teile mit rechteckigem oder anderem länglichem Querschnitt ausgebildet werden, derart, daß die wirksame (PoI)-Fläche auf dessen Schmalseite liegt. Die beabsichtigte Wirkung beruht dann hauptsächlich auf einer Sättigung in der der Polfläche zugekehrten Oberfläche der Ankerzunge.

Der Sättigungseffekt kann noch durch die Verwendung einer dünneren Zunge verstärkt werden. In den parallel zur Drehachse verlaufenden Teilen des Kraftlinienweges entsteht dann Sättigung, die sich ganz oder teilweise über den Ankerquerschnitt ausbreitet. Unter der Bedingung, daß die Ankerschenkel und ihnen benachbarte Ankerteile solche Abmessungen haben, daß in ihnen keine merkliche Sättigung auftreten kann, wird die Sättigung in der Zunge den magnetischen Fluß nicht merklich in von der Drehachse entfernter liegende Ankerteile verdrängen.

Alle aufgezählten Vorteile beruhen auf den unterschiedlichen Schaltwegen für die innere und äußere Ankerzungenkante. Bei dem vorerwähnten Versuchsrelais betrug der Schaltweg an der Außenkante 0,8 mm (Luftspalt 0,95 mm — Klebstift 0,15 mm), an der Innenkante 0,21 mm (Luftspalt 0,25 mm — Polspalt in Schaltstellung 0,04 mm), und das Wegverhältnis betrug etwa 1:4. Jedoch können, wie Versuchegezeigt haben, die Vorteile der Erfindung noch bis zu einem Verhältnis 1:1,25 ausgenutzt werden.

Kurze Anker wurden auch schon bei Kellogrelais benutzt, merkliche Vorteile wurden in dem hier behandelten Punkt jedoch nicht erreicht, weil der Streufluß zwischen Kern und Joch stark ansteigt, wenn der Abstand zwischen der dem Joch gegenüberstehenden Polkante und der Drehachse klein gehalten wird. Zudem hat der Kern dieser Relais runden Querschnitt, so daß die der Drehachse zunächst liegende anziehende Fläche klein und unwirksam wird. So wurde der Grundgedanke der Erfindung bei Kellogrelais nicht einmal unabsichtlich verwirklicht.

Um den Anker kurz genug machen zu können, ohne den Abstand zwischen den Polen des starren magnetischen Kreises, die durch das freie Kernende einerseits und die Enden der Jochschenkel andererseits bezeichnet sind, so weit verringern zu müssen, daß ein merldicher Streufluß auftritt, wird er nach der Erfindung so ausgebildet, daß ein wesentlicher Teil des ihn durchsetzenden Flusses angenähert parallel zur Ankerdrehachse verläuft. Im Gegensatz dazu verläuft der Fluß beim Kellogrelais rechtwinklig zur Drehachse. Die Anordnung nach der Erfindung erlaubt, Kern und Jochteile Seite an Seite mit Bezug auf die Symmetrieebene des Relais anzuordnen und trotzdem den Abstand zwischen den freien Enden des magnetischen Kreises groß zu halten.

Das in Fig. 2 dargestellte Grundbeispiel offenbart noch eine Reihe weiterer Vorzüge. Das Trägheitsmoment des Ankers ist Idein und seine Beschleunigung daher groß. Da er kurz ist, wird eine wirksame Änderung des Hebelarms der Schaltkraft bereits durch geringe Veränderung ihres Angriffspunktes, z. B. durch Verschiebung des Schaltfedersatzes samt dem an ihm sitzenden Schaltstift in Längsrichtung auf der Relaisbrücke erreicht oder, wie unten noch erläutert wird, durch Verschieben des Ankers gegenüber einem solchen Federsatz senkrecht zur Anker drehachse. Dies ist in Fällen vorteilhaft, wo ein verzögertes Abfallen oder eine Anpassung der Schaltkraft an die Belastung gewünscht wird.

Die Jochschenkel 3' können leicht mit großem Querschnitt versehen werden, und da die Ankerschenkel kurz sind und die Ankerzunge einen verhältnismäßig kleinen magnetischen Widerstand hat,

erhält man einen magnetischen Kreis mit geringen Verlusten.

Die Jochschenkel können sich auch etwas über die Ankerdrehachse hinaus erstrecken und sogar bis zur Stirnseite des Kernes reichen. So ergibt sich ein guter magnetischer Übergang zwischen den Schenkeln und dem Anker. Liegen diese Verlängerungen auf der gleichen Ankerseite wie der Kern, so unterstützt der zwischen ihnen und dem Anker übertretende Streunuß positiv die auf den Anker ausgeübte Anziehungskraft.

Weitere Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung konstruktiver Beispiele offenbar werden.

Fig. 3 zeigt in Grundzügen eine Abwandlung des Relais nach Fig. 2. Die mit i", 2" usw bezeichneten Teile entsprechen den in Fig. ι mit i', 2' usw. bezeichneten. Die Jochschenkel 3" reichen bis vor die Stirnfläche des Kernes 1", und der Anker 4" ist drehbar an ihrem Ende gelagert, so daß die mit 7" bezeichnete, der Wicklung 2" zunächst liegende Ankerkante den größten Schaltweg zurückzulegen hat, während der nur einen Bruchteil davon betragende Luftspalt bei 8", d. h. am Kernende liegt.

Diese Ausführungsform bringt jedoch nicht die Stromersparnis wie die nach Fig. 2, da sich nicht verhindern läßt, daß ein Teil des Flusses auf dem Wege bis zum engsten Teil des Luftspaltes bei 8" durch Streuung verloren geht. Da aber dieser Teil der für die erfindungsgemäße Wirkung wichtigste ist, bedeutet dies eine Erhöhung der benötigten Amperewindungszahl. In der Arbeitsstellung liegt weiter der Angriffspunkt der Resultierenden näher zum Ende des Ankers — das bedeutet einen längeren Hebelarm —, während gleichzeitig die Verlagerung des Angriffspunktes während der Schaltbewegung geringer ist. Daher ist der Zuwachs an Amperewindungen verhältnismäßig groß. Dies fördert wieder die Neigung zum Kleben. Trotz dieser aufgezählten Nachteile läßt sich auch dieses Relais so bauen, daß es bessere Eigenschaften hat als bekannte Konstruktionen.

Nachdem nun die grundsätzlichen Gesichtspunkte der Erfindung erläutert sind, werden im folgenden in Verbindung mit Fig. 4 bis 24 einige Konstruktionen erläutert.

Alle Ausführungsformen bestehen aus folgenden Grundelementen: Anker, Wicklung, Kern und ein mit dem Kern verbundenes Joch mit sich zu beiden Seiten der auf dem Kern befindenden Wicklung bis zur Ankerseite des Relais erstreckenden Schenkeln, an deren vorderen Enden der Anker drehbar gelagert ist.

In den Fig. 4 bis 7 ist der Anker mit 9, die Spule mit io, der Magnetkern mit 11 und das Joch mit 12 bezeichnet, ebenso in Fig. 8 bis auf die Spule, die weggelassen wurde, um den Aufbau des magnetischen Kreises deutlicher zu zeigen.

Der Anker 9 ist ein flaches U-förmiges Teil von rechteckigem Querschnitt mit verhältnismäßig kurzen Schenkeln, die sich beiderseits der Spule 10 erstrecken. Kern 11 und Joch 12 bestehen vorzugsweise aus einem Stück, sind z. B. aus Eisenblech gestanzt, so daß der magnetische Widerstand an ihrer Verbindungsstelle so klein wie möglich ist, und haben ebenfalls flachrechteckigen Querschnitt. Der Rücken des Joches trägt einen Gewindestift 13 zur Befestigung des Relais. Durch ein Plattenpaar 14 aus ferromagnetischem Material erhält der Magnetkern 11 einen ausreichenden Wirkungsquerschnitt. Er soll gleich dem oder von der Größe des Gesamtquerschnitts der Jochschenkel sein. In diesem Zusammenhange sei erwähnt, daß bei bisher gebräuchlichen Relais mit lamelliertem Kern der Anker so vor dem Kern angeordnet war, daß er gegen die Schmalseite der Lamellen gezogen wurde. Daher mußte der Kern einer teueren Bearbeitung (Feinschleifen) unterzogen werden, da eine hinreichend glatte Polfläche anders nicht zu erhalten war. Bei dem erfindungsgemäßen Relais liegt die wirksame Polfläche an einer Flachseite des Kernes 11 und eine Bearbeitung ist trotz der Lamellierung nicht nötig. Die Zahl der Lamellen 14 ist selbstverständlich beliebig und kann den Umständen entsprechend gewählt werden.

Die Ankerschenkel greifen mit Ansätzen 15 in entsprechende Aussparungen 16 der Jochschenkel 12. Der Anker wird in seiner Lage einerseits durch an den Jochschenkeln sitzende Winkel 17, andererseits durch einen gebogenen Draht 18 gehalten, der mit Schrauben 19, 19' ebenfalls an den Jochschenkeln befestigt und vor der Vorderkante des Ankers abgebogen ist, so daß er ein Herausgleiten desselben nach vorwärts verhindert. Die Schrauben 19 und 19' halten ebenfalls die Winkel 17. Diese halten die Ankerschenkel in allen Ankerlagen möglichst dicht an den Jochschenkeln, ohne die Ankerbewegung zu behindern. Der Anker wird so in allen Richtungen gehalten, ohne daß ein Achszapfen vorgesehen wäre. Gleichzeitig besteht am Drehpunkt eine ausreichende magnetische Verbindung. Sollte doch (infolge großen Luftspaltes oder Sättigung) ein merklicher magnetischer Widerstand auftreten, sa kann, da die Jochschenkel ein beträchtliches Stück über den Drehpunkt hinausreichen, der Fluß auf der ganzen Fläche der Ankerschenkel übertreten. Ein Teil des Flusses durch die Ankerzunge wird immer diesen Weg gehen und durch seine Anziehungswirkung auf die Ankerschenkel die Schaltbewegung des Ankers unterstützen.

Die Jochschenkel 12 bis zu einer senkrechten Ebene durch die Vorderkante des Ankers vorzuziehen, ist nicht vorteilhaft, da der dann zwischen diesen und der Polfläche des Kernes 11 auftretende Streufluß die Empfindlichkeit herabsetzen kann. Die Schenkellänge wird in Anbetracht dessen am zweckmäßigsten durch Versuche bestimmt. Sie hängt von Faktoren wie senkrechter Abstand zwischen Kern und Jochschenkeln, Größe ihrer gegenüberstehenden Flächen usw. ab.

Bei der gezeigten Anordnung ist der Streufluß verhältnismäßig klein durch die flache Ausbildung der Teile, die sich nur mit ihren Schmalseiten gegenüberstehen.

Der Schaltweg des Ankers 9 ist durch einen U-Winkel eingestellt, dessen eines Ende an dem Kern befestigt ist und dessen anderes Ende einen Anschlag bildet, gegen den sich der Anker in der Ruhelage anlegt. Bei der beschriebenen Ausführungsform ergab ein Winkel von mindestens 1,5° oder mehr gute Empfindlichkeit. Zur Verhinderung des Klebens ist am äußeren Rand des Ankers eine Klebplatte 21 vorgesehen.

709 672/72

Federsätze aus einer Anzahl feststehender und beweglicher Kontaktfedern 22, die durch Isolierplättchen 23 voneinander getrennt sind, sind mit Schrauben 24 an den Jochschenkeln 12 befestigt. Die beweglichen Federn jedes Satzes werden durch einen Schaltstift 25 betätigt, der auf dem Anker aufliegt. Die feststehenden Federn liegen auf einem Stützstift 26 auf.

Bisher war vorausgesetzt worden, daß der Lastangriff gerade an der Vorderkante des Ankers erfolgt. Bei dem Relais nach Fig. 5 drückt der Schaltstift auf den Anker mit einigem Abstand von seiner Vorderkante. Es ist klar, daß eine solche Änderung des Lasthebelarmes andere Verhältnisse zwischen Anziehungs- und Schaltkraft und Schaltweg des Ankers und des Stiftes ergibt. Der richtige Angriffspunkt muß vorzugsweise durch Versuch unter Berücksichtigung der jeweiligen Abmessungen, verlangten Schaltfunktionen und Eigenschaften des Relais bestimmt werden. Bei einem Angriffspunkt nach Fig. 1 bis 3 ist die Schaltkraft kleiner als die Resultierende der Anziehungskräfte. Es kann jedoch erwünscht sein, daß sie ständig größer als die Resultierende oder zu Beginn der Schaltbewegung gleich groß wie oder kleiner als diese und in der Arbeitsstellung eher größer ist. Nach den unterschiedlichen Arbeitsbedingungen und Verwendungszwecken richtet sich die Wahl des Angriffspunktes des Schaltstiftes.

Da schon sehr geringe Veränderungen genügen, um beträchtliche Wirkungen hervorzubringen, kann die Einstellung des Angriffspunktes leicht durch Längsverschiebung der ganzen Federsätze auf den Schenkeln erreicht werden. Durch diese konstruktive Maßnahme kommt man mit wenigen Standardtypen für ein weites Anwendungsgebiet aus.

Die Ausführungsform nach Fig. 9 bis 14 ist der nach Fig. 5 bis 8 in vieler Hinsicht ähnlich, zeigt aber in der Befestigung des Ankers gewisse wichtige Abwandlungen. Kern 37 und Joch 27 bilden wieder ein E-förmiges Teil, dessen Mittelschenkel, der Kern, länger als die Außenschenkel ist. Der Kernquerschnitt ist wieder durch Beilagen 36 verstärkt. Die Spule 28 ist auf einen Spulenkörper mit Endscheiben 29 und 30 gewickelt. Die Scheibe 30 legt sich mit zwei An-Sätzen 35 gegen die Jochschenkel 27. Der Kern 37 ist mit Vorteil bei der Herstellung etwas nach unten durchgebogen, so daß nach dem Zusammenbau die Ansätze 35 unter der Federspannung des Ankers unter Druck gegen die Jochschenkel liegen und damit die Spule 28 in Längsrichtung auf dem Kern 37 festlegen. Außerdem verhindern die Ansätze, daß der Kern unter der Wirkung der Magnetisierung gegen den Anker durchgebogen wird. Dieser besitzt sehr kurze Schenkel, wie Fig. 13 zeigt, die durch Ansätze 33 an ihren Enden Aussparungen 34 bilden. Die Scheibe 30 besitzt weiter eine Schulter 31. Bevor beim Zusammenbau die Spule auf den Kern gesteckt wird, wird der Anker 32 über die Scheibe nach abwärts gestreift, so daß zwei weitere Ansätze (in der Zeichnung nicht sichtbar und unter den Ansätzen 35 gelegen) in die Aussparungen 34 eingreifen und der Anker sich gegen die Schulter 31 legt. Wenn die Schaltstifte der Federsätze 38 auf die Außenkante des Ankers drücken, wirkt die Schulterkante 31 als Kippunkt, so daß die Enden der Ankerschenkel gegen die Jochschenkel 27 gedrückt werden. Dadurch ist in der Ruhelage ein guter magnetischer Übergang an der Drehachse gewährleistet. In der Arbeitsstellung, wenn der Anker von der Schulter 31 abgehoben ist, wird dennoch eine gute magnetische Verbindung teils durch die von der Polfläche des Kernes ausgehenden, teils durch die zwischen Anker- und Jochschenkeln wirkenden Anziehungskräfte aufrechterhalten.

Der Hebelarm des Lastangriffs kann leicht durch Verschieben der Spule 28 längs des Kernes eingestellt werden. Dabei wird der Anker senkrecht zu seiner Drehachse verstellt, also auch der Angriffspunkt der Schaltstifte.

In Fig. 15 und 16 ist der magnetische Kreis der Ausführungsform nach Fig. 9 bis 14 genauer dargestellt. Der Grundgedanke ist, daß der Kern 37 und die Seitenschenkel des Joches 27 in einer Ebene liegen; der notwendige Luftspalt zwischen der Innenkante des Ankers 32 und dem Kern wird dadurch erzeugt, daß der Anker mit Schenkeln versehen ist, so daß seine Drehachse hinter der rückwärtigen Begrenzungslinie der Ankerzunge liegt.

In Fig. 19 bis 24 wird schließlich ein Relais beschrieben, daß nach dem Grundgedanken der Fig. 3 ausgeführt ist. Die seitlichen Jochschenkel sind länger, wie Fig. 24 zeigt. Die Spule 41 ist in der gleichen Weise wie in Fig. 11 auf einen Spulenkörper mit Endscheiben 43 und 44 gewickelt, von denen die letztere mit Ansätzen versehen ist, die sich gegen die Schenkel legen und so die Lage der Spule auf dem Kern fixieren. Der Kernquerschnitt ist durch Beilagen 42 vergrößert. An den freien Enden der Jochschenkel ist eine Halteplatte 47 mit Schrauben befestigt. Sie besteht aus unmagnetischem Werkstoff und hat eine nach unten und einwärts gebogene Abwinkelung (Fig. 20). Der Anker 46 besitzt kurze Schenkel mit Aussparungen 48 auf ihrer Innenseite, in die die Seitenkanten der Halteplatte 47 eingreifen, während die Oberkante ihrer Abwinkelung als Schneide für den Anker dient. Unter dem Druck der Sch'altstifte der auf den Jochschenkeln 40 angeordneten Federsätze legen sich die Ankerschenkel mit Druck gegen die Jochschenkel. Dies gewährleistet einen ausreichenden magnetischen Schluß am Drehpunkt in der Ruhelage des Ankers. Die Anziehungskräfte wirken wieder zwischen Polfläche und Anker und Anker- und Jochschenkeln und halten den Druck zwischen den Schenkeln auch in der Schaltstellung aufrecht.

Die Erfindung kann noch auf mancherlei Art abgewandelt werden. Zum Beispiel können statt eines oder in Verbindung mit einem Klebstift (Klebplatte) in oder mehrere Klebstifte auf den Jochschenkeln angeordnet sein, dort, wo die Ankerschenkel anschlagen. Bisher war weiter der magnetische Fluß ivmmetrisch in bezug auf die Längsachse des Kernes, sowohl magnetisch wie geometrisch. Statt dessen können die Jochschenkel z. B. auch durch ein magnetisches Bauteil, das den Anker trägt, ersetzt werden und die Spule an einer anderen Stelle des magnetischen Kreises angeordnet oder in zwei oder mehr Teile auf- ;eteilt werden. Auch kann der magnetische Kreis in .

verschiedene Teile aufgeteilt sein, die in geeigneter Weise miteinander verbunden sind; sind Kern und Joch aus einem Stück, wie bisher angenommen, so kann er besonders klein gehalten werden.
Schließlich ist es möglich, wenn gewöhnlich auch nicht sehr günstig, den Anker am Kern drehbar zu lagern und dafür an den seitlichen Schenkeln einen Luftspalt vorzusehen.
Man erhält eine andere Anziehungscharakteristik

ίο des Magneten, wenn man die mit der Polfläche zusammenwirkende Ankerfläche einen Winkel mit der durch die Drehachse und die von dieser am weitesten entfernte Begrenzungslinie der Ankerfläche hindurchgehende Fläche bilden läßt und/oder die Drehachse seitlich der Polfläche anordnet. Zum Beispiel können die seitlichen Schenkel einen kleinen Winkel mit der Polfläche des Kernes bilden oder in einer Ebene etwas unterhalb der Polfläche — gerechnet von der Mittelebene des Kernes aus — angeordnet sein; der Kern kann gebogen oder zugespitzt sein, so daß man eine geneigte Polfläche erhält; der Anker kann gebogen oder zugespitzt sein, oder diese Maßnahmen können kombiniert werden. Obwohl dann der Anker in der Arbeitsstellung mit der nahe dem Drehpunkt gelegenen Kante gegen die Polfläche schlägt, besteht doch zwischen seiner wirksamen Fläche und jener ein vorgegebener Luftspalt von nach dem freien Ende des Ankers zunehmender Stärke. Anderen Verlauf der Anziehungscharakteristik kann man erhalten, indem man die sich anziehenden Flächen gekrümmt ausführt oder auf verschiedene Weise mit Fortsätzen aus magnetischem Werkstoff versieht.

Die in den Fig. 4 bis 7, 9 bis 13, 19 bis 23 gezeigten Ausführungsformen wurden mit gutem Erfolg in den gezeichneten Abmessungen ausgeführt —· abgesehen von kleineren Einzelheiten (Luftspalt, Schaltweg), die in der Zeichnung zur besseren Verdeutlichung abgeändert wurden. Die Abmessungsverhältnisse in den Zeichnungen können als wirklichkeitsgetreu angesehen werden.

Wenn die Erfindung nur in Anwendungsbeispielen auf Relais beschrieben wurde, so schließt dies nicht aus, daß ihre Grundgedanken ganz allgemein auf Steuermagnete für verschiedenste Anwendungszwecke anwendbar sind.

Claims

Patentansprüche:

i. Elektrischer Steuermagnet, z. B. für elektrische Schaltgeräte wie Relais u. dgl., mit einer Spule zur Speisung eines starren magnetischen Kreises mit wenigstens zwei seitlich nebeneinanderliegenden Schenkeln und mit einem den magnetischen Fluß in der Querrichtung zwischen den Schenkeln leitenden Anker, der um eine zur Längserstreckung der Schenkel senkrechte Drehachse beweglich ist und mit mindestens einer mit der gemeinsamen Ebene der Schenkel wenigstens annähernd parallelen Polfläche an wenigstens einem der Schenkel zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse in der vorderen Hälfte der von dem starren magnetischen Kreis und dem Anker gebildeten Anordnung liegt, und daß das magnetisch leitende Material des Ankers wenigstens in dessen Ruhelage mindestens einen mit einer Polfläche versehenen Schenkel nicht berührt.

2. Steuermagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der beiden Wege 1,25 : ι oder mehr ist.

3. Steuermagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 2,1 bis 4,1 ist.

4. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Fluß durchsetzte Ankerfläche in der Ruhelage mit der Polfläche einen Winkel von mehr als 1,5° einschließt.

5. Steuermagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel mindestens 2,5° und mehr beträgt.

6. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch solche Abmessungen von Anker und magnetischem Kreis, daß Anker und/oder Kreis in der Ruhelage keine oder geringe Sättigung zeigen, in der Schaltbewegung aber und wachsend mit dieser von der Ankerdrehachse ausgehend Sättigung auftritt.

7. Steuermagnet nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung in der dem Pol oder den Polen des Kreises gegenüberliegenden Ankerfläche auftritt.

8. Steuermagnet nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung in dem Teil des Kraftlinienweges im Anker auftritt, der im wesentlichen parallel zur Drehachse verläuft.

9. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mindestens an einem der Schenkel drehbar gelagert ist.

10. Steuermagnet nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anker mit einer Kante gegen mindestens einen Schenkel legt, derartig, daß diese Kante seine Drehachse bildet.

11. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Schenkel eine Wicklung trägt.

12. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ankerdrehachse am nächsten liegende Begrenzungslinie der wirksamen Ankerfläche im wesentlichen gerade ist.

13. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der starre magnetische Kreis aus einem Mittelschenkel und zwei, vorzugsweise zu seinen beiden Seiten angeordneten, seitlichen Schenkeln besteht, die miteinander durch ein Joch verbunden sind.

14. Steuermagnet nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen (Joch-) Schenkel eine andere Länge als der Mittelschenkel haben.

15. Steuermagnet nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker mit Schenkeln, die sich im wesentlichen in der Ebene seiner wirksamen Fläche erstrecken und kürzer als die Jochschenkel sind, gegen diese anliegt und so seine Drehachse bildet.

16. Steuermagnet nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ankerschenkel mit einer

Verlängerung und einer Seitenkante am Ende in eine Aussparung des Jochschenkels eingreift.

Xj. Steuermagnet nach Anspruch i6, gekennzeichnet durch Winkel, die, von den Jochschenkeln ausgehend, die Verlängerungen der Ankerschenkel umgreifen.

i8. Steuermagnet nach Anspruch ι und 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Polfiäche am Mittelschenkel befindet.

19. Steuermagnet nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen an den Jochschenkeln, gegen die die Ankerschenkel anliegen, mit Bezug auf die Jochschenkel dieselbe Orientierung haben wie die Polfläche mit Bezug auf den Mittelschenkel.

20. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Ankers im wesentlichen auf der Schnittlinie zwischen der Ebene seiner wirksamen Fläche und der Polfläche liegt.

21. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein den Anker in seiner Ruhelage stützendes Bauteil.

22. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein oder mehrere vom Anker betätigte Schaltglieder, z. B. Schaltstifte, für einen oder mehrere Kontaktfedersätze.

23. Steuermagnet nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Schaltglieder auf dem Anker in seiner Ruhelage einen Druck ausübt und das stützende Bauteil zwischen dem Angriffspunkt dieser Druckkraft und dem Punkt angeordnet ist, an dem der Anker an ein oder mehrere starre Bauteile anstößt.

24. Steuermagnet nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerschenkel mit querlaufenden Schlitzen mit einer auf dem Mittelschenkel angeordneten Scheibe in Eingriff stehen.

25. Steuermagnet nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Flanschscheibe des Spulenkörpers für die Wicklung ist.

26. Steuermagnet nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch einen auf dem mittleren Schenkel verschiebbar angeordneten Spulenkörper.

27. Steuermagnet nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel eine federnde Spannung senkrecht zur Ebene der Seitenschenkel besitzt und die Flanschscheibe giebelartig mit Vorsprüngen versehen ist, mit denen sie sich unter der Wirkung der Spannung fest gegen die Seitenschenkel legt.

28. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch in solcher Weise angeordnete Abstandsmittel, daß die mit einer Polfläche zusammenwirkende Ankerfläche in Arbeitsstellung einen vorgegebenen Winkel mit dieser bildet.

29. Steuermagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der starre magnetische Kreis durch Streifen oder Platten aus ferromagnetischem Werkstoff verstärkt ist.

30. Steuermagnet nach Anspruch 13 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel durch einen oder mehrere Streifen aus ferromagnetischem Werkstoff verstärkt ist.

31. Steuermagnet nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker am Mittelschenkel gelagert ist und von den Jochschenkeln angezogen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 576720, 809564; USA.-Patentschrift Nr. 1 812 545.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 7OJ 672/72 9.57