EP0603629A2 - Electromagnetic device - Google Patents

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EP0603629A2
EP0603629A2 EP93119659A EP93119659A EP0603629A2 EP 0603629 A2 EP0603629 A2 EP 0603629A2 EP 93119659 A EP93119659 A EP 93119659A EP 93119659 A EP93119659 A EP 93119659A EP 0603629 A2 EP0603629 A2 EP 0603629A2
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EP
European Patent Office
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pole
short
armature
face
circuit ring
Prior art date
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EP93119659A
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German (de)
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EP0603629B1 (en
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Wilfried Beyer
Thorsten Krause
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Kuhnke GmbH
Original Assignee
Kuhnke GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0603629A3 publication Critical patent/EP0603629A3/en
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Publication of EP0603629B1 publication Critical patent/EP0603629B1/en
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/10—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures specially adapted for alternating current
    • H01F7/12—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures specially adapted for alternating current having anti-chattering arrangements
    • H01F7/1205—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures specially adapted for alternating current having anti-chattering arrangements having short-circuited conductors
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/44—Magnetic coils or windings
    • H01H50/46—Short-circuited conducting sleeves, bands, or discs

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic arrangement with an electrical coil, with a coil core designed as a gap pole, one pole of which is enclosed by a short-circuit ring for generating a phase shift, with an armature arranged opposite the gap pole and with a yoke closing the magnetic circuit.
  • Such electromagnetic arrangements are known from many areas of technology, for example relays which can be operated with alternating current are constructed in this way.
  • the splitting of the pole opposite the armature into at least two poles, one of which is enclosed by a short-circuit ring, serves to achieve a phase shift within the magnetic current induced by the current flow in the coil in the magnetic circuit in the region of these two poles. This phase shift is necessary so that an interruption of the holding force due to a change in the current direction between the coil core and armature is prevented.
  • Embodiments of such electromagnetic arrangements are described by way of example in DE-AS 11 41 026 and DE-AS 15 39 918.
  • the object of the invention is to design an electromagnetic arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that the aforementioned adverse effects are avoided or are at least reduced and that comparatively higher holding forces between the shaded pole and armature are thus achieved.
  • the pole enclosed by the short-circuit ring is designed to increase the flux density between the pole and armature so that its end face is smaller than its cross-sectional area in the region of the short-circuit ring.
  • the inventive design of the pole enclosed by the short-circuit ring results in a local increase in the flux density in the region of this pole, the relative permeability also being reduced, which entails a greater depth of penetration.
  • the dimensioning of the pole faces in detail can be determined mathematically and / or empirically.
  • the cross-sectional area of a pole may only be reduced to such an extent that the saturation limit of the material is reached, since otherwise the effect that is positive for the force ratio is compensated for.
  • a significant increase in the flux density to obtain the desired increase in the holding force is obtained if the area ratio from the end face of the shaded pole to the total cross-sectional area of this pole is selected to be less than or equal to 0.7.
  • the solution according to the invention is preferably achieved by a gradation within the pole enclosed by the short-circuit ring.
  • the effective pole area in this area is reduced so that the entire magnetic flux of this pole branch is concentrated in this reduced pole cross-section. This creates almost homogeneous field conditions that are only disturbed by the three-dimensionality of the magnetic inference. Due to the local increase in the flux density, an increase in force is achieved despite the reduction in the pole area, since the magnetic force increases quadratically with the flux density.
  • the present invention is not limited to the shape of the coil core as such, more than two gap poles can also be provided.
  • An expedient embodiment in the case of a coil core which is round in cross section can also lie in the fact that the end faces of the poles are formed by concentric ring surfaces.
  • the short-circuit ring is then within an annular groove made in the end face of the coil core.
  • the gradation of the pole enclosed by the short-circuit ring can then be carried out in a simple manner through a central blind hole, the depth of which is smaller than that of the annular groove provided for the short-circuit ring.
  • the coil core does not necessarily have to be solid, laminated designs are also conceivable. However, a one-piece coil core made of solid material is preferably used in connection with the present invention.
  • the aforementioned increase in the magnetic force between the coil pole and armature which can be achieved with the solution according to the invention, is achieved by specifically increasing the magnetic flux in this area.
  • it can take place not only through the aforementioned preferred structural design of the coil core, but also through a corresponding design of the armature in the area opposite the gap pole, in that the armature is designed accordingly in its area opposite the pole surrounded by the short-circuit ring.
  • the magnetic area effective in this area must be reduced correspondingly to the concentration of the magnetic flux, in such a way that the magnetically effective face of the armature in this area is smaller than the end face of the pole.
  • the armature has a raised end face pointing towards the pole, which faces that of the short-circuit ring enclosed pole is opposite and is smaller than the end face of this pole.
  • the electromagnetic arrangement shown in FIG. 1 can, for example, be part of an electromagnetic AC relay.
  • the electrical coil is identified by 1.
  • a coil core 2 which is part of a magnetic circuit consisting of the coil core 2, a yoke 3 and an armature 4.
  • the coil core 2 has a substantially cylindrical shape and consists of solid material with high permeability.
  • the coil core 2 is connected to the yoke 3, which is also made of magnetically highly conductive material.
  • the yoke is approximately L-shaped in the view according to FIG. 1 and runs with one leg transversely and with the other parallel to the coil core 2.
  • the armature 4 is located at a short distance, which is also on the yoke 3 is applied so that the magnetic circuit is closed.
  • the coil core is 2 formed at its end facing the armature 4 as a shaded pole core, so that two poles 5 and 6 are formed.
  • the pole 5 is completely enclosed by a short-circuit ring 7, this pole 5 is referred to below as a shaded pole.
  • a phase shift of the magnetic flux is achieved by the short-circuit ring 7, so that even in the event of a change in direction of the magnetic flux it is always ensured that the holding force between the coil core 2 and armature 4 is not canceled during the brief zero crossing.
  • the ring 7 has a D shape in plan view and is embedded in an end groove 8 of the coil core 2.
  • the short-circuit ring 7 encloses the shaded pole 5 over its entire circumference and is arranged at a clear distance from the armature 4, since the depth of the groove 8 is greater than the height of the short-circuit ring 7.
  • the shaded pole 5 has a gradation 9, so that an end face 10 directly opposite the armature 4 and an end face 11 opposite the armature 4 are formed.
  • the end face 11 is parallel to the end face 10 in the area between the latter and the short-circuit ring 7.
  • This gradation achieves the aforementioned concentration of the magnetic flux in this area near the anchor and thus the increase in force.
  • the shaded pole 5 can be provided with a joining chamfer on its circumferential edge on the front side.
  • the end face 12 of the unshaded pole 6 can be reduced in size by a side bevel in the pole 6, as is also known in the prior art for adjusting the magnetic flux in this area.
  • FIGS. 4 and 5 show an alternative embodiment of a coil core 2a.
  • the coil core 2a is also essentially cylindrical, but an annular groove 8a is embedded in the end face of the coil core 2a, in which there is a short-circuit ring 7a, so that an annular, outer and unshaded pole 6a and a shaded pole concentrically with it and enclosed therefrom 5a is formed.
  • a step 9a is formed by a central blind hole 13. This results in an end face 10a of the shaded pole 5a, which is significantly smaller than the cross-sectional area of this pole in the area of the short-circuit ring 7a, also to increase the magnetic flux density in this area.
  • the rear end face of the shaded pole 5a is designated 11a, the end face of the unshaded pole 6a is 12a.
  • FIGS. 1 to 3 an alternative implementation of the invention is shown by appropriate design of the armature 4 (variants B and C).
  • the coil core 2b corresponds to that shown in FIGS. 1 to 3 except for the lack of gradation in the shaded pole 5b.
  • the unshaded pole is marked with 6b, the short-circuit ring with 7b.
  • This coil core 2b thus corresponds to that known from the prior art.
  • the increase in the magnetic flux density in the area between the poles and the armature 4b or 4c is achieved in that the armature in its area directly opposite the shaded pole 5b is made smaller in its effective magnetic area than the end face 10b of the shaded pole 5b.
  • this is achieved in that a gradation 15 is provided in the end face 14 of the armature facing the end face 10b.
  • design C instead of this gradation 15, the entire armature 4c is shortened, so that it is only opposite part of the end face 10b of the shaded pole 5b.

Abstract

The electromagnetic arrangement has an electric coil (1) whose core (2) is constructed as a split pole. In order to generate a phase shift, one pole (5) of the split pole is surrounded by a shading ring (7). An armature (4) is arranged opposite the split pole. A yoke (3) which closes the magnetic circuit is also provided. A step is provided in the shaded pole (5), specifically in the region between the shading ring (7) and armature (4), in order to increase the retention force between the coil core (2) and armature (4). This leads to an increase in the magnetic flux density and thus in the magnetic force. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Anordnung mit einer elektrischen Spule, mit einem als Spaltpol ausgebildeten Spulenkern, dessen einer Pol zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von einem Kurzschlußring umschlossen ist, mit einem dem Spaltpol gegenüberliegend angeordneten Anker und mit einem den magnetischen Kreis schließenden Joch.The invention relates to an electromagnetic arrangement with an electrical coil, with a coil core designed as a gap pole, one pole of which is enclosed by a short-circuit ring for generating a phase shift, with an armature arranged opposite the gap pole and with a yoke closing the magnetic circuit.

Derartige elektromagnetische Anordnungen sind aus vielen Bereichen der Technik bekannt, beispielsweise sind mit Wechselstrom betreibbare Relais nach dem Stand der Technik so aufgebaut. Die Spaltung des dem Anker gegenüberliegenden Pols in mindestens zwei Pole, von denen einer mit einem Kurzschlußring umschlossen ist, dient dazu, eine Phasenverschiebung innerhalb des durch den Stromfluß in der Spule im magnetischen Kreislauf induzierten magnetischen Stromes im Bereich dieser beiden Pole zu erreichen. Diese Phasenverschiebung ist erforderlich, damit ein Unterbrechen der Haltekraft wegen Wechsels der Stromrichtung zwischen Spulenkern und Anker verhindert wird. Ausgestaltungen derartiger elektromagnetischer Anordnungen sind beispielhaft in DE-AS 11 41 026 und DE-AS 15 39 918 beschrieben.Such electromagnetic arrangements are known from many areas of technology, for example relays which can be operated with alternating current are constructed in this way. The splitting of the pole opposite the armature into at least two poles, one of which is enclosed by a short-circuit ring, serves to achieve a phase shift within the magnetic current induced by the current flow in the coil in the magnetic circuit in the region of these two poles. This phase shift is necessary so that an interruption of the holding force due to a change in the current direction between the coil core and armature is prevented. Embodiments of such electromagnetic arrangements are described by way of example in DE-AS 11 41 026 and DE-AS 15 39 918.

Zur Erzeugung möglichst günstiger Kraftverhältnisse zwischen dem Spaltpol und dem Anker ist man bei Spaltpolkernen in geblechter Bauweise bestrebt, die vom Kurzschlußring umschlossene Fläche möglichst groß zu halten. Dadurch wird der magnetische Widerstand über diesen Flußweg klein gehalten. Durch diese Maßnahme können einerseits günstige Flußverhältnisse und andererseits günstige Ausgangsverhältnisse bezüglich der Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilflüssen erreicht werden. Voraussetzung hierfür ist allerdings die Kernlamellierung, die eine homogene Feldverteilung zur Folge hat. Der Effekt der Feldverdrängung wird bei geeigneter Dimensionierung der Blechdicke durch sehr geringe Wirbelströme in den Kernblechen nicht auftreten.In order to generate the most favorable force ratios between the shaded pole and the armature, in the case of shaded pole cores in a laminated construction, efforts are made to keep the area enclosed by the short-circuit ring as large as possible. This keeps the magnetic resistance low over this flow path. With this measure, on the one hand, favorable flow conditions and, on the other hand, favorable initial conditions with regard to the phase shift between the two partial flows can be achieved. The prerequisite for this, however, is the core lamination, which results in a homogeneous field distribution. The effect of field displacement will not occur if the sheet thickness is suitably dimensioned due to very low eddy currents in the core sheets.

Schon aus fertigungstechnischen Gründen ist man jedoch bestrebt ab einer bestimmten Kerngröße, z.B. für Wechselstromrelais, ungeblechte Spulenkerne zu verwenden. Durch die auftretenden Wirbelströme im nichtlamellierten Kern wird eine Feldverdrängung verursacht, die eine geringe Eindringtiefe des Magnetfeldes zur Folge hat. Damit ist gleichzeitig ein inhomogenes Magnetfeld in unmittelbarer Spaltpolumgebung verbunden. Diese physikalischen Gegebenheiten wirken sich auf die magnetischen Kräfte zwischen den Polen und dem Anker ungünstig aus, da die Flußdichten über den Polflächen damit ebenfalls ortsabhängig und unterschiedlich sind.However, for manufacturing reasons alone, efforts are made from a certain core size, e.g. for AC relays, to use unblanked coil cores. The eddy currents occurring in the non-laminated core cause a field displacement, which results in a small penetration depth of the magnetic field. At the same time, an inhomogeneous magnetic field in the immediate gap pole environment is connected. These physical conditions have an unfavorable effect on the magnetic forces between the poles and the armature, since the flux densities across the pole faces are also location-dependent and different.

Aufgrund der relativ großen, vom Kurzschlußring umschlossenen Polfläche ist der Einfluß der Feldverdrängung mit den oben erwähnten Folgen bei diesem Pol nicht mehr zu vernachlässigen.Due to the relatively large pole area enclosed by the short-circuit ring, the influence of the field displacement with the consequences mentioned above can no longer be neglected for this pole.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Anordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die vorerwähnten nachteiligen Effekte vermieden oder zumindest verringert werden und daß somit vergleichsweise höhere Haltekräfte zwischen Spaltpol und Anker erzielt werden.Proceeding from this, the object of the invention is to design an electromagnetic arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that the aforementioned adverse effects are avoided or are at least reduced and that comparatively higher holding forces between the shaded pole and armature are thus achieved.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der vom Kurzschlußring umschlossene Pol zur Erhöhung der Flußdichte zwischen Pol und Anker so ausgebildet wird, daß seine endseitige Stirnfläche kleiner als seine Querschnittsfläche im Bereich des Kurzschlußringes ist.This object is achieved according to the invention in that the pole enclosed by the short-circuit ring is designed to increase the flux density between the pole and armature so that its end face is smaller than its cross-sectional area in the region of the short-circuit ring.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des vom Kurzschlußring umschlossenen Pols hat eine lokale Erhöhung der Flußdichte im Bereich dieses Pols zur Folge, wobei zusätzlich die relative Permeabilität abgesenkt wird, was eine größere Eindringtiefe mit sich bringt.The inventive design of the pole enclosed by the short-circuit ring results in a local increase in the flux density in the region of this pole, the relative permeability also being reduced, which entails a greater depth of penetration.

Die Dimensionierung der Polflächen im einzelnen kann rechnerisch und/oder empirisch ermittelt werden. Die Querschnittsfläche eines Pols darf jedoch nur soweit verkleinert werden, daß gerade die Sättigungsgrenze des Materials erreicht wird, da anderenfalls der für das Kräfteverhältnis positive Effekt kompensiert wird. Eine signifikante Steigerung der Flußdichte zum Erhalt der gewünschten Steigerung der Haltekraft erhält man, wenn man das Flächenverhältnis von der endseitigen Stirnfläche des beschatteten Pols zu der Gesamtquerschnittsfläche dieses Pols kleiner oder gleich 0,7 wählt.The dimensioning of the pole faces in detail can be determined mathematically and / or empirically. However, the cross-sectional area of a pole may only be reduced to such an extent that the saturation limit of the material is reached, since otherwise the effect that is positive for the force ratio is compensated for. A significant increase in the flux density to obtain the desired increase in the holding force is obtained if the area ratio from the end face of the shaded pole to the total cross-sectional area of this pole is selected to be less than or equal to 0.7.

Es ist zwar bekannt, den vom Kurzschlußring umschlossenen Pol anzufasen, wodurch die endseitige Stirnfläche dieses Pols ebenfalls kleiner als die Querschnittsfläche dieses Pols im Bereich des Kurzschlußringes ist. Dieses bekannte Anfasen des Pols dient jedoch ausschließlich zur leichteren Montage des Kurzschlußringes. Die sich dadurch möglicherweise einstellenden Änderungen in den Kraftverhältnissen sind in der Praxis vernachlässigbar und entsprechen keinesfalls den mit der erfindungsgemäßen Lösung erreichten Veränderungen. Die erfindungsgemäße Lösung wird bevorzugt durch eine Abstufung innerhalb des vom Kurzschlußring umschlossenen Pols erreicht. Theoretisch könnte eine solche Veränderung der magnetisch wirksamen Polfläche auch durch eine einseitig oder umlaufende Abschrägung des endsprechenden Poles zu seinem stirnseitigen Ende hin erfolgen, die praktischen Erfordernisse stehen jedoch einer solchen Lösung entgegen. Für die Krafterhöhung zwischen Pol und Anker ist die Erhöhung der magnetischen Flußdichte entscheidend. Diese Erhöhung ist jedoch nur in unmittelbarer Polnähe erwünscht, da anderenfalls der magnetische Widerstand und damit auch der magnetische Spannungsabfall in nicht mehr tolerierbarem Maße ansteigen würde. Durch eine solche Abschrägung könnte der zugkraftsteigernde Effekt nur in unzulänglicher Weise erreicht werden oder dann, wenn der Kurzschlußring wesentlich weiter zurückgesetzt würde, was bekanntermaßen von Nachteil ist.It is known to chamfer the pole enclosed by the short-circuit ring, as a result of which the end face of this pole is also smaller than the cross-sectional area of this pole in the region of the short-circuit ring. However, this known chamfering of the pole is only used for easier assembly of the short-circuit ring. The changes in the force ratios that may arise as a result are negligible in practice and in no way correspond to the changes achieved with the solution according to the invention. The solution according to the invention is preferably achieved by a gradation within the pole enclosed by the short-circuit ring. Theoretically, such a change in the magnetically effective pole surface could also be achieved by one-sided or circumferential beveling of the corresponding pole towards its front end, but the practical requirements stand in the way of such a solution. The increase in magnetic flux density is decisive for increasing the force between the pole and armature. However, this increase is only desired in the immediate vicinity of the pole, since otherwise the magnetic resistance and thus also the magnetic voltage drop would increase to an extent which is no longer tolerable. With such a bevel, the tractive force-increasing effect could only be achieved in an inadequate manner or if the short-circuit ring were to be set back much further, which is known to be disadvantageous.

Durch die stufenförmige Ausbildung des vom Kurzschlußring umschlossenen Pols im Bereich zwischen Kurzschlußring und Anker wird die effektive Polfläche in diesem Bereich so verkleinert, daß der gesamte magnetische Fluß dieses Polzweiges in diesem verminderten Polquerschnitt konzentriert wird. Dadurch werden annähernd homogene Feldverhältnisse erzeugt, die nur noch durch die Dreidimensionalität des magnetischen Rückschlusses gestört werden. Durch die lokale Erhöhung der Flußdichte wird trotz der Verkleinerung der Polfläche eine Kraftsteigerung erreicht, da die magnetische Kraft quadratisch mit der Flußdichte ansteigt.Due to the stepped design of the pole enclosed by the short-circuit ring in the area between the short-circuit ring and the armature, the effective pole area in this area is reduced so that the entire magnetic flux of this pole branch is concentrated in this reduced pole cross-section. This creates almost homogeneous field conditions that are only disturbed by the three-dimensionality of the magnetic inference. Due to the local increase in the flux density, an increase in force is achieved despite the reduction in the pole area, since the magnetic force increases quadratically with the flux density.

Es zählt zum Stand der Technik, den nicht vom Kurzschlußring umschlossenen Pol zum Anker hin durch eine Abschrägung in seinem wirksamen Querschnitt zu verkleinern. Diese Maßnahme dient jedoch ausschließlich zur Einstellung der gewünschten Flußverhältnisse.It is part of the prior art to reduce the effective cross section of the pole, which is not enclosed by the short-circuit ring, toward the armature by means of a bevel. However, this measure only serves to set the desired flow conditions.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die Form des Spulenkerns als solche, es können auch mehr als zwei Spaltpole vorgesehen sein. Eine zweckmäßige Ausgestaltung bei einem im Querschnitt runden Spulenkern kann auch darin liegen, daß die endseitigen Stirnflächen der Pole durch konzentrische Ringflächen gebildet sind. Der Kurzschlußring liegt dann also innerhalb einer in der Stirnseite des Spulenkerns eingebrachten Ringnut. Die Abstufung des vom Kurzschlußring umschlossenen Pols kann dann in einfacher Weise durch eine zentrische Sacklochbohrung erfolgen, deren Tiefe kleiner als die der für den Kurzschlußring vorgesehenen Ringnut ist.The present invention is not limited to the shape of the coil core as such, more than two gap poles can also be provided. An expedient embodiment in the case of a coil core which is round in cross section can also lie in the fact that the end faces of the poles are formed by concentric ring surfaces. The short-circuit ring is then within an annular groove made in the end face of the coil core. The gradation of the pole enclosed by the short-circuit ring can then be carried out in a simple manner through a central blind hole, the depth of which is smaller than that of the annular groove provided for the short-circuit ring.

Der Spulenkern muß nicht notwendigerweise massiv ausgebildet sein, auch geblechte Ausführungen sind denkbar. Ein einstückiger Spulenkern aus Vollmaterial wird jedoch bevorzugt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.The coil core does not necessarily have to be solid, laminated designs are also conceivable. However, a one-piece coil core made of solid material is preferably used in connection with the present invention.

Die vorerwähnte, mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielbare Erhöung der magnetischen Kraft zwischen Spulenpol und Anker wird durch die gezielte Erhöhung des magnetischen Flusses in diesem Bereich erzielt. Sie kann gemäß der Erfindung jedoch nicht nur durch die vorerwähnte bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des Spulenkerns, sondern auch durch eine entsprechende Ausgestaltung des Ankers in dem den Spaltpol gegenüberliegenden Bereich erfolgen, indem der Anker in seinem dem vom Kurzschlußring umgebenen Pol gegenüberliegenden Bereich entsprechend ausgebildet ist. Die in diesem Bereich wirksame magnetische Fläche ist zur Konzentration des magnetischen Flusses entsprechend zu verkleinern, und zwar so, daß die magnetisch wirksame Stirnfläche des Ankers in diesem Bereich kleiner als die endseitige Stirnfläche des Pols ist.The aforementioned increase in the magnetic force between the coil pole and armature, which can be achieved with the solution according to the invention, is achieved by specifically increasing the magnetic flux in this area. However, according to the invention, it can take place not only through the aforementioned preferred structural design of the coil core, but also through a corresponding design of the armature in the area opposite the gap pole, in that the armature is designed accordingly in its area opposite the pole surrounded by the short-circuit ring. The magnetic area effective in this area must be reduced correspondingly to the concentration of the magnetic flux, in such a way that the magnetically effective face of the armature in this area is smaller than the end face of the pole.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Anker eine zum Pol hin weisende erhabene Stirnfläche aufweist, die dem vom Kurzschlußring umschlossenen Pol gegenüberliegt und kleiner als die endseitige Stirnfläche dieses Pols ist.This can be done, for example, in that the armature has a raised end face pointing towards the pole, which faces that of the short-circuit ring enclosed pole is opposite and is smaller than the end face of this pole.

Konstruktiv und fertigungstechnisch einfach kann dies jedoch auch dadurch erreicht werden, daß der Anker quasi verkürzt ausgebildet wird, so daß seine dem vom Kurzschlußring umgebenen Pol gegenüberliegende magnetisch wirksame Fläche kleiner ist als die endseitige Stirnfläche dieses Pols.In terms of design and manufacturing technology, however, this can also be achieved by making the armature quasi-shortened, so that its magnetically effective surface opposite the pole surrounded by the short-circuit ring is smaller than the end face of this pole.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen in stark vereinfachter Darstellung:

Figur 1
einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführung einer elektromagnetischen Anordnung gemäß der Erfindung,
Figur 2
in vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf den Spulenkern in Figur 1,
Figur 3
einen Schnitt längs der Linie III-III in Figur 2,
Figur 4
eine alternative Ausbildung eines Spulenkerns in Darstellung nach Figur 2,
Figur 5
einen Schnitt längs der Schnittlinie V-V in Figur 4,
Figur 6
eine Draufsicht auf einen Spulenkern nach dem Stand der Technik und
Figur 7
einen Schnitt längs der Schnittlinie VII-VII in Figur 6 in Verbindung mit zwei alternativen Ausbildungen des Ankers im Bereich gegenüberliegend dem Spulenkern.
The invention is explained below with reference to exemplary embodiments shown in the drawings. In a very simplified representation, they show:
Figure 1
2 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of an electromagnetic arrangement according to the invention,
Figure 2
2 shows an enlarged plan view of the coil core in FIG. 1,
Figure 3
3 shows a section along the line III-III in FIG. 2,
Figure 4
an alternative embodiment of a coil core in the representation of Figure 2,
Figure 5
3 shows a section along the section line VV in FIG. 4,
Figure 6
a plan view of a coil core according to the prior art and
Figure 7
a section along the section line VII-VII in Figure 6 in connection with two alternative designs of the armature in the area opposite the coil core.

Die anhand von Figur 1 dargestellte elektromagnetische Anordnung kann beispielsweise Teil eines elektromagnetischen Wechselstromrelais darstellen. Die elektrische Spule ist dabei mit 1 gekennzeichnet. Innerhalb dieser Spule 1 befindet sich ein Spulenkern 2, der Teil eines magnetischen Kreises bestehend aus dem Spulenkern 2, einem Joch 3 und einem Anker 4 ist. Der Spulenkern 2 hat im wesentlichen eine zylindrische Form und besteht aus Vollmaterial hoher Permeabilität. An der in Figur 1 unteren Seite ist der Spulenkern 2 mit dem Joch 3 verbunden, das ebenfalls aus magnetisch gut leitendem Material besteht. Das Joch ist in Ansicht nach Figur 1 etwa L-förmig und verläuft mit einem Schenkel quer und mit dem anderen parallel zum Spulenkern 2. An dem dem Joch 3 abgewandten Ende des Spulenkerns 2 liegt mit geringem Abstand der Anker 4 an, der ebenfalls am Joch 3 anliegt, so daß der magnetische Kreis geschlossen ist.The electromagnetic arrangement shown in FIG. 1 can, for example, be part of an electromagnetic AC relay. The electrical coil is identified by 1. Within this coil 1 there is a coil core 2, which is part of a magnetic circuit consisting of the coil core 2, a yoke 3 and an armature 4. The coil core 2 has a substantially cylindrical shape and consists of solid material with high permeability. On the lower side in FIG. 1, the coil core 2 is connected to the yoke 3, which is also made of magnetically highly conductive material. The yoke is approximately L-shaped in the view according to FIG. 1 and runs with one leg transversely and with the other parallel to the coil core 2. At the end of the coil core 2 facing away from the yoke 3, the armature 4 is located at a short distance, which is also on the yoke 3 is applied so that the magnetic circuit is closed.

Wenn die Spule 1 stromdurchflossen wird, baut sich darum ein magnetisches Feld auf, wodurch ein magnetischer Strom in dem vorbeschriebenen magnetischen Kreis fließt. Hierdurch wird der Anker 4 an den Spulenkern 2 gezogen. Die durch diese Kraft hervorgerufene Bewegung des Ankers 4 wird bekanntermaßen ausgenutzt, um beispielsweise Kontakte zu öffnen oder zu schließen. Die in diesem Bereich entstehende Kraft zwischen dem Spulenkern 2 und dem Anker 4 ist daher Ziel der elektromagnetischen Anordnung.When current flows through the coil 1, a magnetic field therefore builds up, as a result of which a magnetic current flows in the magnetic circuit described above. As a result, the armature 4 is pulled on the coil core 2. The movement of the armature 4 caused by this force is known to be used, for example, to open or close contacts. The force arising in this area between the coil core 2 and the armature 4 is therefore the aim of the electromagnetic arrangement.

Um zu verhindern, daß beim Beaufschlagen der Spule 1 mit Wechselstrom durch Richtungsumkehr des Magnetfeldes entsprechend der periodischen Spannungsumkehr an der Spule 1 die Haltekraft zwischen Spulenkern 2 und Anker 4 unterbrochen wird, ist der Spulenkern 2 an seinem zum Anker 4 weisenden Ende als Spaltpolkern ausgebildet, so daß sich zwei Pole 5 und 6 bilden. Der Pol 5 ist vollständig von einem Kurzschlußring 7 umschlossen, dieser Pol 5 ist nachfolgend als beschatteter Pol bezeichnet. Durch den Kurzschlußring 7 wird bekanntermaßen eine Phasenverschiebung des magnetischen Flusses erreicht, so daß auch im Falle eines Richtungswechsels des magnetischen Flusses stets sichergestellt ist, daß die Haltekraft zwischen Spulenkern 2 und Anker 4 während des kurzzeitigen Nulldurchgangs nicht aufgehoben ist.In order to prevent the holding force between coil core 2 and armature 4 from being interrupted when the coil 1 is subjected to alternating current by reversing the direction of the magnetic field in accordance with the periodic voltage reversal on the coil 1, the coil core is 2 formed at its end facing the armature 4 as a shaded pole core, so that two poles 5 and 6 are formed. The pole 5 is completely enclosed by a short-circuit ring 7, this pole 5 is referred to below as a shaded pole. As is known, a phase shift of the magnetic flux is achieved by the short-circuit ring 7, so that even in the event of a change in direction of the magnetic flux it is always ensured that the holding force between the coil core 2 and armature 4 is not canceled during the brief zero crossing.

Der Ring 7 hat in Draufsicht D-Form und ist in einer stirnseitigen Nut 8 des Spulenkerns 2 eingelassen. Der Kurzschlußring 7 umschließt den beschatteten Pol 5 über seinen gesamten Umfang und ist mit deutlichem Abstand zum Anker 4 angeordnet, da die Tiefe der Nut 8 größer ist als die Höhe des Kurzschlußringes 7.The ring 7 has a D shape in plan view and is embedded in an end groove 8 of the coil core 2. The short-circuit ring 7 encloses the shaded pole 5 over its entire circumference and is arranged at a clear distance from the armature 4, since the depth of the groove 8 is greater than the height of the short-circuit ring 7.

Während der unbeschattete Pol 6 lediglich durch die Nut 8 vom übrigen Spulenkern 2 getrennt ist, weist der beschattete Pol 5 eine Abstufung 9 auf, so daß sich eine dem Anker 4 unmittelbar gegenüberliegende Stirnfläche 10 sowie eine dem Anker 4 mit Abstand gegenüberliegende Stirnfläche 11 bildet. Die Stirnfläche 11 liegt parallel zur Stirnfläche 10 im Bereich zwischen dieser und dem Kurzschlußring 7. Durch diese Abstufung wird die eingangs erwähnte Konzentration des magnetischen Flusses in diesem ankernahen Bereich und damit die Kraftsteigerung erreicht. Dadurch, daß die Flußdichtensteigerung nur in einem relativ kurzen Bereich des Pols 5, und zwar im Bereich zwischen Kurzschlußring 7 und Anker 4 erfolgt, ist der magnetische Spannungsabfall durch den in diesem Bereich höheren magnetischen Widerstand vergleichsweise gering.While the unshaded pole 6 is only separated from the rest of the coil core 2 by the groove 8, the shaded pole 5 has a gradation 9, so that an end face 10 directly opposite the armature 4 and an end face 11 opposite the armature 4 are formed. The end face 11 is parallel to the end face 10 in the area between the latter and the short-circuit ring 7. This gradation achieves the aforementioned concentration of the magnetic flux in this area near the anchor and thus the increase in force. The fact that the flux density increases only in a relatively short area of the pole 5, namely in the area between the short-circuit ring 7 and armature 4, the magnetic voltage drop is comparatively small due to the higher magnetic resistance in this area.

Unabhängig von der Abstufung 9 kann der beschattete Pol 5 an seiner stirnseitigen Umlaufkante mit einer Fügefase versehen sein.Regardless of the gradation 9, the shaded pole 5 can be provided with a joining chamfer on its circumferential edge on the front side.

Ebenso kann die Stirnfläche 12 des unbeschatteten Pols 6 durch eine seitliche Abschrägung im Pol 6 gegenüber der dargestellten verkleinert sein, wie dies auch schon nach dem Stand der Technik zur Einstellung des magnetischen Flusses in diesem Bereich bekannt ist.Likewise, the end face 12 of the unshaded pole 6 can be reduced in size by a side bevel in the pole 6, as is also known in the prior art for adjusting the magnetic flux in this area.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine alternative Ausführung eines Spulenkerns 2a. Der Spulenkern 2a ist ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, jedoch ist in der Stirnflache des Spulenkerns 2a eine ringförmige Nut 8a eingelassen, in der ein Kurzschlußring 7a liegt, so daß ein ringförmiger, außenliegender und unbeschatteter Pol 6a sowie ein konzentrisch dazu und davon eingeschlossener beschatteter Pol 5a gebildet ist.FIGS. 4 and 5 show an alternative embodiment of a coil core 2a. The coil core 2a is also essentially cylindrical, but an annular groove 8a is embedded in the end face of the coil core 2a, in which there is a short-circuit ring 7a, so that an annular, outer and unshaded pole 6a and a shaded pole concentrically with it and enclosed therefrom 5a is formed.

Eine Abstufung 9a ist bei dieser Ausführung durch eine zentrische Sacklochbohrung 13 gebildet. Es ergibt sich somit eine Stirnfläche 10a des beschatteten Pols 5a, die deutlich kleiner als die Querschnittsfläche dieses Pols im Bereich des Kurzschlußringes 7a ist, und zwar ebenfalls zur Erhöhung der magnetischen Flußdichte in diesem Bereich. Die zurückliegende Stirnfläche des beschatteten Pols 5a ist mit 11a bezeichnet, die Stirnfläche des unbeschatteten Pols 6a mit 12a.In this embodiment, a step 9a is formed by a central blind hole 13. This results in an end face 10a of the shaded pole 5a, which is significantly smaller than the cross-sectional area of this pole in the area of the short-circuit ring 7a, also to increase the magnetic flux density in this area. The rear end face of the shaded pole 5a is designated 11a, the end face of the unshaded pole 6a is 12a.

Anhand der Figuren 6 und 7 ist eine alternative Verwirklichung der Erfindung durch entsprechende Ausbildung des Ankers 4 (Varianten B und C) dargestellt. Der Spulenkern 2b entspricht dem anhand der Figuren 1 bis 3 dargestellten bis auf die fehlende Abstufung im beschatteten Pol 5b. Der unbeschattete Pol ist mit 6b gekennzeichnet, der Kurzschlußring mit 7b. Dieser Spulenkern 2b entspricht also dem aus dem Stand der Technik bekannten.6 and 7, an alternative implementation of the invention is shown by appropriate design of the armature 4 (variants B and C). The coil core 2b corresponds to that shown in FIGS. 1 to 3 except for the lack of gradation in the shaded pole 5b. The unshaded pole is marked with 6b, the short-circuit ring with 7b. This coil core 2b thus corresponds to that known from the prior art.

Die Steigerung der Magnetflußdichte im Bereich zwischen den Polen und dem Anker 4b bzw. 4c (alternativ) wird dadurch erreicht, daß der Anker in seinem dem beschatteten Pol 5b unmittelbar gegenüberliegenden Bereich in seiner wirksamen magnetischen Fläche kleiner ausgebildet ist als die Stirnfläche 10b des beschatteten Pols 5b. Bei der Ausführung B ist dies dadurch erreicht, daß in der zur Stirnfläche 10b weisenden Stirnfläche 14 des Ankers eine Abstufung 15 vorgesehen ist. Bei der Ausführung C ist anstelle dieser Abstufung 15 der gesamte Anker 4c verkürzt ausgebildet, so daß er nur einem Teil der Stirnfläche 10b des beschatteten Pols 5b gegenüberliegt. Mit diesen alternativen Lösung können nicht ganz so hohe Steigerungen in der Kraft zwischen Anker und Pol erreicht werden wie bei den eingangs beschriebenen Ausführungsformen.The increase in the magnetic flux density in the area between the poles and the armature 4b or 4c (alternatively) is achieved in that the armature in its area directly opposite the shaded pole 5b is made smaller in its effective magnetic area than the end face 10b of the shaded pole 5b. In version B, this is achieved in that a gradation 15 is provided in the end face 14 of the armature facing the end face 10b. In design C, instead of this gradation 15, the entire armature 4c is shortened, so that it is only opposite part of the end face 10b of the shaded pole 5b. With these alternative solutions, not quite as large increases in the force between armature and pole can be achieved as in the embodiments described at the beginning.

Claims (11)

Elektromagnetische Anordnung mit einer elektrischen Spule (1), mit einem als Spaltpol ausgebildeten Spulenkern (2), dessen einer Pol (5) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von einem Kurzschlußring (7) umschlossen ist, mit einem dem Spaltpol gegenüberliegend angeordneten Anker (4) und mit einem den magnetischen Kreis schließenden Joch (3), dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kurzschlußring (7) umschlossene Pol (5) zur Erhöhung der Flußdichte zwischen Pol (5) und Anker (4) eine endseitige Stirnfläche (10) aufweist, die kleiner als die Querschnittsfläche dieses Pols (5) im Bereich des Kurzschlußringes (7) ist.Electromagnetic arrangement with an electrical coil (1), with a coil core (2) designed as a gap pole, one pole (5) of which is enclosed by a short-circuit ring (7) to produce a phase shift, with an armature (4) arranged opposite the gap pole with a yoke (3) closing the magnetic circuit, characterized in that the pole (5) enclosed by the short-circuit ring (7) has an end face (10) which is smaller in order to increase the flux density between the pole (5) and armature (4) than the cross-sectional area of this pole (5) in the area of the short-circuit ring (7). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kurzschlußring (7) umschlossene Pol (5) stufenförmig ausgebildet ist, so daß eine dem Anker (4) unmittelbar gegenüberliegende endseitige Stirnfläche (10) sowie eine diesem mit Abstand gegenüberliegende weitere Stirnfläche (11) gebildet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the pole (5) enclosed by the short-circuit ring (7) is of stepped configuration, so that an end face (10) directly opposite the armature (4) and a further end face (11) opposite this at a distance is formed. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die endseitigen Stirnflächen (10, 12) der beiden dem Anker (4) gegenüberliegenden Pole (5, 6) nur durch die Ausnehmung (8) für den Kurzschlußring (7) voneinander getrennt sind.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the end faces (10, 12) of the two poles (5, 6) opposite the armature (4) are only separated from one another by the recess (8) for the short-circuit ring (7). Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die endseitigen Stirnflächen (10a, 12a) der beiden dem Anker (4) gegenüberliegenden Pole (5a, 6a) Ringflächen sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the end faces (10a, 12a) of the two poles (5a, 6a) opposite the armature (4) are annular surfaces. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (2) bis auf den Kurzschlußring (7) einstückig ausgebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the coil core (2) is formed in one piece except for the short-circuit ring (7). Elektromagnetische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der endseitigen Stirnfläche (10) des vom Kurzschlußring (7) umschlossenen Pols (5) zur Gesamtquerschnittsfläche dieses Pols (5) kleiner oder gleich 0,7 ist.Electromagnetic arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the end face (10) of the pole (5) enclosed by the short-circuit ring (7) to the total cross-sectional area of this pole (5) is less than or equal to 0.7. Elektromagnetische Anordnung mit einer elektrischen Spule (1), mit einem als Spaltpol ausgebildeten Spulenkern (2b), dessen einer Pol (5b) zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von einem Kurzschlußring (7b) umschlossen ist, und mit einem dem Spaltpol (5b, 6b) gegenüberliegend angeordneten Anker (4b oder 4c), dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4b oder 4c) im Bereich des unmittelbar gegenüberliegenden vom Kurzschlußring (7b) umgebenen Pols (5b) zur Erhöhung der Flußdichte zwischen Pol (5b) und Anker (4b, 4c) eine magnetisch wirksame Stirnfläche aufweist, die kleiner ist als die endseitige Stirnfläche dieses Pols (5b).Electromagnetic arrangement with an electrical coil (1), with a coil core (2b) designed as a split pole, one pole (5b) of which is enclosed by a short-circuit ring (7b) to produce a phase shift, and with one opposite the split pole (5b, 6b) arranged armature (4b or 4c), characterized in that the armature (4b or 4c) in the region of the immediately opposite pole (5b) surrounded by the short-circuit ring (7b) to increase the flux density between the pole (5b) and armature (4b, 4c) has a magnetically effective end face which is smaller than the end face of this pole (5b). Elektromagnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4b) eine erhabene wirksame Stirnfläche (14) aufweist, die dem vom Kurzschlußring (7b) umschlossenen Pol (5b) gegenüberliegt und kleiner als die endseitige Stirnfläche (10b) dieses Pols (5b) ist.Electromagnetic arrangement according to claim 7, characterized in that the armature (4b) has a raised effective end face (14) which is opposite the pole (5b) enclosed by the short-circuit ring (7b) and smaller than the end face (10b) of this pole (5b ) is. Elektromagnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4c) im Bereich des gegenüberliegenden vom Kurzschlußring (7b) umschlossenen Pols (5b) derart endet, daß seine diesem Pol (5b) gegenüber magnetisch wirksame Fläche kleiner ist als die endseitige Stirnfläche (10b) dieses Pols (5b).Electromagnetic arrangement according to Claim 7, characterized in that the armature (4c) ends in the region of the opposite pole (5b) enclosed by the short-circuit ring (7b) in such a way that its magnetically effective surface with respect to this pole (5b) is smaller than the end face ( 10b) of this pole (5b). Spulenkern mit Spaltpol, dessen einer Pol (5) für die Umfassung mit einem Kurzschlußring (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Pol (5) abgesetzt ausgebildet ist, sodaß er eine endseitige (10) und eine weiter zurückliegende (11) Stirnfläche aufweist, wobei beide Stirnflächen (10, 11) zur selben Seite weisen.Coil core with a gap pole, one pole (5) of which is provided for encircling with a short-circuit ring (7), characterized in that this pole (5) is designed so that it has an end face (10) and a further back face (11) having both end faces (10, 11) facing the same side. Spulenkern nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der endseitigen Stirnfläche (10) des vom Kurzschlußring umschlossenen Pols (5) zur Gesamtquerschnittsfläche (10 + 11) dieses Pols (5) kleiner oder gleich 0,7 ist.Coil core according to Claim 10, characterized in that the ratio of the end face (10) of the pole (5) enclosed by the short-circuit ring to the total cross-sectional area (10 + 11) of this pole (5) is less than or equal to 0.7.
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