EP0232728B1 - Elektromagnetisches Relais - Google Patents

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EP0232728B1
EP0232728B1 EP87100330A EP87100330A EP0232728B1 EP 0232728 B1 EP0232728 B1 EP 0232728B1 EP 87100330 A EP87100330 A EP 87100330A EP 87100330 A EP87100330 A EP 87100330A EP 0232728 B1 EP0232728 B1 EP 0232728B1
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EP
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permanent magnet
armature
relay
pole
coil
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Rolf-Dieter Dipl.-Phys. Kimpel
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2236—Polarised relays comprising pivotable armature, pivoting at extremity or bending point of armature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/02—Non-polarised relays
    • H01H51/04—Non-polarised relays with single armature; with single set of ganged armatures

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic relay with an excitation coil, a core arranged within the coil and a yoke which is coupled at one end to a core end and at the other end of which an armature forming a working air gap is mounted with the free core end, and with a permanent magnet , which exerts a restoring force on the armature at least via one pole and which has a negative temperature coefficient of remanence in the order of the temperature coefficient of a ferrite magnet.
  • Such a relay with the usual magnetic circuit structure, that is to say with an angular yoke and a flat armature arranged on the end face in front of the free core end, is known from DE-OS 1 439 210. It is a neutral, monostable magnet system in which the armature is attracted against the restoring force of the permanent magnet for the duration of the excitation and is returned to its rest position when the excitation is switched off by the permanent magnet force.
  • a ceramic magnet is preferably used as the reset means.
  • These magnets which are also referred to as oxide magnets or ferrite magnets, have a relatively large temperature response, namely a temperature coefficient of remanence which is of the order of magnitude of - 2 x 10-3 K- 1 .
  • It is known to use this effect in polarized bistable relays by using this negative temperature coefficient of remanence of the permanent magnet to increase the positive temperature coefficient of the coil resistance is compensated, whereby the response voltage rises less with increasing temperature than with an unpolarized relay (Siemens magazine, 1969, pages 411 to 413).
  • the object of the invention is to provide a relay of the type mentioned, in which a compensation of the response voltage is achieved even with strong self-heating of the coil.
  • this object is achieved in that a compensation spring which counteracts the attraction of the permanent magnet on the armature compensates for part of this attraction and that the permanent magnet is in thermal contact with a heating device forming part of the excitation circuit.
  • a compensation spring is therefore initially provided in order to transfer the known effect of temperature compensation to a neutral magnet system of the type present here.
  • Which portion of the permanent magnetic force must be compensated for in order to achieve the best possible adaptation of the temperature response of the permanent flux forces to the temperature response of the excitation flux force can be calculated from the known physical properties of the coil winding and the permanent magnet material used.
  • the heating device ensures that the permanent magnet is always at the same temperature as the coil winding.
  • this heating device can be the field winding of the relay itself, if it can be ensured by the corresponding relay construction that the permanent magnet is in thermal contact with the field winding. In general, however, the return magnet of the coil will be arranged opposite the armature, so that this thermal contact is not possible without additional construction.
  • a heating resistor on the permanent magnet as the heating device, which is connected in series or parallel to the excitation coil. The type of connection results from the design of the excitation coil, in particular from the voltage used.
  • This heating resistor is of course designed so that it generates a heating similar to the heating of the coil winding on the permanent magnet. In many cases, this heating resistor does not need to be an additional component, since it is desirable in such relays to limit the voltage peaks when the winding inductance is switched off by means of a parallel resistor. This function can be taken over by the heating resistor.
  • one pole of the permanent magnet has a pole piece as an anchor stop and that the second pole of the permanent magnet is magnetically coupled to the core or the yoke via a flux bracket.
  • a switching behavior can be achieved in this case that more or less corresponds to that of a polarized relay.
  • a neutral switching behavior should be ensured , it is recommended that the permanent magnet has a pole piece on each of the two poles and that these two pole pieces are bridged by the armature in the falling state of the armature. This results in a closed permanent magnetic circuit above the armature, which is separate from the excitation circuit.
  • the relay shown in Fig. 1 has an excitation coil 1 with an axially arranged core 2, an angular yoke 3 coupled to a core end and a flat armature 4 which is mounted on the free yoke end and a working air gap with a pole plate seated on the free core end 5 forms.
  • This relay magnet system is usually arranged on a base 6, which is shown in Fig. 1 only as a rectangular outline.
  • the relay naturally has contact elements not shown, for example a contact spring connected to the armature, which cooperates with mating contact elements anchored in the base.
  • the restoring force for the armature is applied by a permanent magnet 7, which forms a stop for the rest position of the armature 4 with a ferromagnetic pole piece 8 and is magnetically coupled to the core with a second pole piece 9.
  • a permanent magnet 7 which forms a stop for the rest position of the armature 4 with a ferromagnetic pole piece 8 and is magnetically coupled to the core with a second pole piece 9.
  • Part of the permanent flux force is compensated for by a compression spring 10, which is supported on the base or in a similar manner and attempts to press the armature out of its rest position against the attractive force of the permanent magnet.
  • a compression spring 10 By dimensioning this compression spring 10, such a large part of the permanent flux force is compensated that the temperature response of the continuous flux force corresponds approximately to the temperature response of the excitation flux force, so that a largely constant, that is, temperature-compensated response voltage results for the relay.
  • a heating resistor 11 is provided directly on the permanent magnet 7, which is connected in parallel with the winding connections 14 and 15 of the coil 1 via the connections 12 and 13. As long as the coil is energized, the heating resistor 11 is also heated, so that the permanent magnet 7 is heated in synchronism with the coil winding. In this way, the mentioned temperature compensation of the response voltage is ensured in every case.
  • Fig. 2 shows a slight modification of the relay compared to Fig. 1.
  • the basic structure is, however, kept the same, the corresponding parts also being provided with the same reference numerals.
  • a backward-facing poi shoe 19 is used on the permanent magnet 7, this pole piece 19 not being coupled to the core, but rather being designed in such a way that the permanent magnet rests on both pole pieces 8 and 19 in the idle state and then forms a closed permanent magnetic circuit.
  • the neutral switching behavior of the magnet system is not changed by the permanent magnet, but the same temperature compensation as in the embodiment of FIG. 1 is ensured.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit einer Erregerspule, einem innerhalb der Spule angeordneten Kern und einem Joch, das mit einem Ende an ein Kernende angekoppelt ist und an dessen anderem Ende ein mit dem freien Kernende einen Arbeitsluftspalt bildender Anker gelagert ist, sowie mit einem Dauermagneten, der zumindest über einen Pol eine Rückstellkraft auf den Anker ausübt und der einen negativen Temperaturkoeffizienten der Remanenz in der Größenordnung des Temperaturkoeffizienten eines Ferritmagneten aufweist.
  • Ein derartiges Relais mit dem üblichen Magnetkreisaufbau, also mit einem winkelförmigen Joch und einem flachen, stirnseitig vor dem freien Kernende angeordneten Anker, ist aus der DE-OS 1 439 210 bekannt. Es handelt sich dabei um ein neutrales, monostabiles Magnetsystem, bei dem der Anker für die Zeitdauer der Erregung entgegen der Rückstellkraft des Dauermagneten angezogen wird und bei Abschaltung der Erregung durch die Dauermagnetkraft in seine Ruhestellung zurückgeführt wird.
  • Bei dem bekannten Relais gemäß DE-OS 1 439 210 wird als Rückstellmittel vorzugsweise ein Keramikmagnet verwendet. Diese Magnete, die man auch als Oxidmagnete oder Ferritmagnete bezeichnet, besitzen einen verhältnismäßig großen Temperaturgang, nämlich einen Temperaturkoeffizienten der Remanenz, der in der Größenordnung von - 2 x 10-3 K-1 liegt. Das bedeutet, daß mit wachsender Temperatur der Dauerfluß abnimmt, und zwar um etwa 10 % bei einem Temperaturanstieg von 50 K. Es ist bekannt, bei polarisierten bistabilen Relais diesen Effekt auszunutzen, indem mit diesem negativen Temperaturkoeffizienten der Remanenz des Dauermagneten der positive Temperaturkoeffizient des Spulenwiderstands kompensiert wird, wodurch die Ansprechspannung mit zunehmender Temperatur weniger stark ansteigt als bei einem ungepolten Relais (Siemens Zeitschrift, 1969, Seiten 411 bis 413). Für solche polarisierten Relais ist es weiterhin bekannt, einen Teil der Dauermagnetkraft mittels Federn zu kompensieren, um eine möglichst gute Annäherung des Temperaturgangs des Dauermagneten an den Temperaturgang der Spule herbeizuführen (DE-AS 1 902 610). In diesen Fällen der bistabilen polarisierten Relais wird eine Temperaturkompensation bezüglich der Umgebungstemperatur vorgenommen, da solche Relais nur impulsweise erregt werden, so daß keine wesentliche Eigenerwärmung der Spule erfolgt und die Temperatur der Spule und des Dauermagneten im wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht.
  • Bei einem neutralen Magnetsystem der eingangs genannten Art liegen diese Verhältnisse nicht ohne weiteres vor, da ein solches monostabiles Relais bei länger dauernder Erregung eine hohe Spulenerwärmung aufweist, während der zur Ankerrückstellung dienende Dauermagnet von der Spule entfernt angeordnet ist und sich weitgehend auf Umgebungstemperatur befindet. Die bei polarisierten Relais bekannte Temperaturkompensation kann deshalb bei solchen Relais nicht in gleicher Weise vorgenommen werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Relais der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem auch bei starker Eigenerwärmung der Spule eine Kompensation der Ansprechspannung erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine der Anziehungskraft des Dauermagneten auf den Anker entgegenwirkende Kompensationsfeder einen Teil dieser Anziehungskraft kompensiert und daß der Dauermagnet in thermischem Kontakt mit einer einen Teil des Erregerstromkreises bildenden Heizeinrichtung steht.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Relais wird also zunächst eine Kompensationsfeder vorgesehen, um den bekannten Effekt der Temperaturkompensation auf ein neutrales Magnetsystem der hier vorliegenden Art zu übertragen. Welcher Anteil der Dauermagnetkraft dabei kompensiert werden muß, um eine möglichst gute Angleichung des Temperaturgangs der Dauerflußkräfte an den Temperaturgang der Erregerflußkraft zu erreichen, läßt sich aus den bekannten physikalischen Eigenschaften der Spulenwicklung und des verwendeten Dauermagnetwerkstoffes berechnen. Um aber über die Kompensation der Umgebungstemperatureinflüsse hinaus auch eine Kompensation der Spulenerwärmung zu erzielen, wird durch die Heizeinrichtung sichergestellt, daß der Dauermagnet stets die gleiche Temperatur aufweist wie die Spulenwicklung.
  • Diese Heizeinrichtung kann im einfachsten Fall die Erregerwicklung des Relais selbst sein, wenn durch die entsprechende Relaiskonstruktion sichergestellt werden kann, daß der Dauermagnet in thermischem Kontakt mit der Erregerwicklung steht. Im allgemeinen wird jedoch der Rückstellmagnet der Spule gegenüberliegend vor dem Anker angeordnet sein, so daß dieser thermische Kontakt nicht ohne zusätzliche Konstruktion möglich ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, als Heizeinrichtung einen Heizwiderstand am Dauermagneten vorzusehen, der in Serie oder parallel zur Erregerspule geschaltet ist. Die Art der Anschaltung ergibt sich aus der Auslegung der Erregerspule, insbesondere aus der verwendeten Spannung. Dabei wird natürlich dieser Heizwiderstand so ausgelegt, daß er am Dauermagneten eine Erwärmung ähnlich der Erwärmung der Spulenwicklung erzeugt. Dieser Heizwiderstand braucht in vielen Fällen kein zusätzliches Bauelement zu sein, da es ohnehin bei derartigen Relais erwünscht ist, die Spannungsspitzen beim Abschalten der Wicklungsinduktivität mittels eines Parallelwiderstandes zu begrenzen. Diese Funktion kann von dem Heizwiderstand übernommen werden.
  • In konstruktiver Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relais kann vorgesehen sein, daß ein Pol des Dauermagneten einen Polschuh als Ankeranschlag aufweist und daß der zweite Pol des Dauermagneten über einen Flußbügel mit dem Kern oder dem Joch magnetisch gekoppelt ist. Bei entsprechender Bemessung des Dauermagneten und der Kopplung kann in diesem Fall sogar ein Schaltverhalten erreicht werden, das mehr oder weniger dem eines polarisierten Relais entspricht. Soll auf jeden Fall ein neutrales Schaltverhalten sichergestellt werden, so empfiehlt es sich, daß der Dauermagnet an beiden Polen je einen Polschuh aufweist und daß diese beiden Polschuhe im abgefallenden Zustand des Ankers von diesem überbrückt werden. Damit ergibt sich über dem Anker ein geschlossener Dauermagnetkreis, der vom Erregerkreis getrennt ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
    • Fig. 1 ein temperaturkompensiertes Winkelankerrelais mit an den Kern gekoppeltem Dauermagnetkreis,
    • Fig. 2 ein gegenüber Fig. 1 leicht abgewandeltes Relais mit getrenntem Dauermagnetkreis.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Relais besitzt eine Erregerspule 1 mit einem axial angeordneten Kern 2, ein winkelförmiges, an ein Kernende angekoppeltes Joch 3 und einen flachen Anker 4, der am freien Jochende gelagert ist und einen Arbeitsluftspalt mit einer auf dem freien Kernende sitzenden Polplatte 5 bildet. Dieses Relais-Magnetsystem ist in der Regel auf einem Sockel 6 angeordnet, der in Fig. 1 nur als rechteckiger Umriß gezeigt ist. Außerdem besitzt das Relais natürlich nicht weiter dargestellte Kontaktelemente, beispielsweise eine mit dem Anker verbundene Kontaktfeder, die mit im Sockel verankerten Gegenkontaktelementen zusammenwirkt.
  • Die Rückstellkraft für den Anker wird durch einen Dauermagneten 7 aufgebracht, der mit einem ferromagnetischen Polschuh 8 einen Anschlag für die Ruhestellung des Ankers 4 bildet und mit einem zweiten Polschuh 9 an den Kern magnetisch angekoppelt ist. Durch diese zuletzt genannte Ankopplung ergibt sich beim Schaltverhalten des Relais eine Annäherung an die Charakteristik eines polarisierten Relais, wobei jedoch für die vorliegende Erfindung von einem monostabilen Schaltverhalten mit entsprechender Dauererregung und damit verbundener Spulenerwärmung ausgegangen wird.
  • Ein Teil der Dauerflußkraft wird durch eine Druckfeder 10 kompensiert, die am Sockel oder auf ähnliche Weise abgestützt ist und dem Anker entgegen der Anzugskraft des Dauermagneten aus seiner Ruhestellung zu drücken versucht Durch entsprechende Dimensionierung dieser Druckfeder 10 wird ein so großer Teil der Dauerflußkraft kompensiert, daß der Temperaturgang der Dauerflußkraft dem Temperaturgang der Erregerflußkraft in etwa entspricht, so daß sich eine weitgehend gleichbleibende, also temperaturkompensierte Ansprechspannung für das Relais ergibt.
  • Um diese Temperaturkompensation nicht nur gegenüber der Umgebungstemperatur, sondern auch hinsichtlich der Erwärmung der Wicklung zu gewährleisten, ist unmittelbar am Dauermagneten 7 ein Heizwiderstand 11 vorgesehen, der über die Anschlüsse 12 und 13 parallel zu den Wicklungsanschlüssen 14 und 15 der Spule 1 geschaltet ist. Solange die Spule erregt wird, wird auch der Heizwiderstand 11 aufgeheizt, so daß der Dauermagnet 7 synchron mit der Spulenwicklung erwärmt wird. Auf diese Weise wird die erwähnte Temperaturkompensation der Ansprechspannung in jedem Fall sichergestellt.
  • Fig. 2 zeigt eine leichte Abwandlung des Relais gegenüber Fig. 1. Der grundsätzliche Aufbau ist jedoch gleich gehalten, wobei die entsprechenden Teile auch mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Lediglich anstelle des Polschuhs 9 ist ein abgewandeiter Poischuh 19 am Dauermagneten 7 verwendet, wobei dieser Polschuh 19 nicht an den Kern angekoppelt ist, sondern so gestaltet ist, daß der Dauermagnet im Ruhezustand an beiden Polschuhen 8 und 19 anliegt und dann einen geschlossenen Dauermagnetkreis bildet. In diesem Fall wird das neutrale Schaltverhalten des Magnetsystems durch den Dauermagneten nicht verändert, es wird jedoch die gleiche Temperaturkompensation wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sichergestellt.

Claims (5)

1. Elektromagnetisches Relais mit einer Erregerspule, einem innerhalb der Spule angeordneten Kern und einem Joch, das mit einem Ende an ein Kernende angekoppelt ist und an dessen anderem Ende ein mit dem freien Kernende einen Arbeitsluftspalt bildender Anker gelagert ist, sowie mit einem Dauermagneten, der zumindest über einen Pol eine Rückstellkraft auf den Anker ausübt und der einen negativen Temperaturkoeffizienten der Remanenz in der Größenordnung des Temperaturkoeffizienten eines Ferritmagneten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Anziehungskraft des Dauermagneten (7) auf den Anker entgegenwirkende Kompensationsfeder (10) einen Teil der Anziehungskraft kompensiert und daß der Dauermagnet (7) in thermischem Kontakt mit einer einen Teil des Erregerstromkreises (11, 12, 13, 14, 15) bildenden Heizeinrichtung (11) steht.
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung die Erregerwicklung (1) des Relais ist.
3. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein zu der Erregerspule (1) in Serie oder parallelgeschalteter Heizwiderstand (11) ist.
4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pol des Dauermagneten (7) einen Polschuh (8) als Ankeranschlag aufweist und daß der zweite Pol des Dauermagneten (7) über einen Flußbügel (9) mit dem Kern (2) oder dem Joch gekoppelt ist.
5. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (7) an beiden Polen je einen Polschuh (8, 19) aufweist und daß die beiden Polschuhe (8, 19) im Ruhezustand des Ankers (4) von diesem überbrückt werden.
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