DE2365190A1

DE2365190A1 - Elektromagnetsystem

Info

Publication number: DE2365190A1
Application number: DE2365190A
Authority: DE
Inventors: Hugo Eggers; Hans-Werner Dipl Ing Reuting
Original assignee: ELMEG Elektro Mechanik GmbH
Current assignee: ELMEG Elektro Mechanik GmbH
Priority date: 1973-12-29
Filing date: 1973-12-29
Publication date: 1975-07-03
Also published as: GB1492544A; SE403674B; CS174794B2; FR2256523A1; SU704481A3; JPS5523452B2; CH575169A5; ATA773374A; JPS5097856A; NL7416436A; DD114478A5; GB1492545A; US4050043A; SE7414640L; DE2365190B2; IT1032112B

Description

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EIMEG- Elektro-Mechanik GmbH

Elektromagnetsystem

Die Erfindung "betrifft ein Elektromagnetsystem mit einem parallel zu einem Permanentmagneten geschalteten lieb ens chluß aus magnetisch leitendem Material, insbesondere für elektromagnetische Relais.

Bei Elektromagnetsystemen, beispielsweise von elektromagnetischen Relais, besitzen die verwendeten Permanentmagnete - wenn sie einmal als magnetische Spannungsquellen betrachtet werden - einen relativ großen Innenwiderstand. Infolgedessen schwankt die magnetische Spannung bei Be- und Entlastung, beispielsweise durch Veränderungen des ArbeitsluftSpaltes zwischen den Jochen und dem Magnetanker oder auch bei überlagerter äußerer Erregung, die zum Umschalten des Relais erforderlich ist. E^ne solche nicht konstante magnetische Spannung

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fülirt zu einer allgemeinen Verschlechterung der Arbeitsweise und in vielen Fällen (z. B. Übererregung) zu einer irreversiblen Verschiebung der Betriebsdaten eines Relais.

Bs ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Elektromagnetsystem zu schaffen, bei dem die magnetische Spannung weitestgehend als konstanter Wert zur Verfügung steht.

Die magnetische Spannung eines Magnetsystems konstant zu halten ist mit den üblichen einfachen Mitteln nicht möglich, weil Permanentmagnete Permeabilitäten aufweisen, die etwa der von Luft entsprechen oder höchstens vier- bis fünfmal größer sind als die von Luft. Solche Magnete haben die Eigenschaft, daß ihre magnetische Spannung an den Polflächen - die in Analogie zu elektrischen Schaltungen als Klemmenspannung aufgefaßt werden kann - bei Belastung, d. h. z. B₀ bei Annäherung des Ankers an den Polschuh und/oder bei einem gleichsinnig überlagerten Erregerfluß erheblich zusammenbricht oder mit anderen Worten, daß der Magnetfluß nicht annähernd in dem Maße steigt, wie es aufgrund der Veränderung der Verhältnisse im Arbeitsluftspalt und/oder aufgrund der äußeren Erregung erwartet werden müßte. Das gilt verstärkt für die auf den Anker wirkenden Kräfte, die sich bekanntlich mit dem Quadrat des Magnetflusses ändern. Eine sich so ergebende nicht konstante magnetische Spannung wird bei bekannten Relaiskonstruktionen wegen des Ziels, mit geringen Ansprecherregungen im Arbeitsluftspalt auszukommen, bewußt genutzt, um den Verlauf der auf den Anker wirkenden Permanentmagnetkraft zu linearisieren, obwohl dadurch die Empfindlichkeit insgesamt verringert und der Hauptteil der Erregerdurchflutung vom Arbeitsluftspalt, wo sie vorwiegend notwendig ist, auf die Magnetisierung des Permanentmagneten verlagert wird.

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Erfindungsgemäß wird das Ziel einer möglichst konstanten magnetischen Spannung dadurch erreicht, daß der magnetische Widerstand der Parallelschaltung aus Innenwiderstand des Permanentmagneten und Nebenschluß kleiner ist als die jeweilige Summe der übrigen magnetischen Widerstände des' Magnetsystems.

Hierdurch wird erreicht, daß an der als Spannungsquelle aufzufassenden Parallelschaltung aus Permanentmagnet und Nebenschluß, der aus einem geschlossenen, ggf« einen Luftspalt enthaltenden Eisenweg besteht, eine weitestgehend konstante magnetische Spannung zur Verfügung steht, die durch Veränderungen des Arbeitsluftspaltes infolge der Ankerbewegung oder durch sonstige Einflüsse wie eine äußere Erregung o. dgl. nur unwesentlich beeinflußt werden kann. Es wird somit ein sehr' weitgehend stabiler Arbeitspunkt des Magnetsystems erhalten. Dabei hängt das Ausmaß der Konstanz der magnetischen Spannung selbstverständlich von dem Verhältnis der übrigen magnetischen Widerstände des Magnetsystems zu dem magnetischen Widerstand der Parallelschaltung ab. Der Widerstand der Parallelschaltung kann beispielsweise um das Fünffache, aber notfalls auch um mehrere Zehner-Potenzen kleiner sein als die Summe der übrigen magnetischen Widerstände, Das Magnetsystem arbeitet auf diese Weise bei praktisch konstanter permanentmagnetischer Spannung bzw« Durchflutung, was für den Betrieb außerordentliche Vorzüge hat, zumal bei bekannten Relais auch bei stärkeren äußeren Erregungen immer mit einer Veränderung des Arbeitspunktes des Permanentmagneten und u. U. sogar mit einem Umpolen gerechnet werden muß.

Zugleich stellen für den von der.äußeren Erregung erzielten ITuß der Permanent/una sein Nebenschluß eine Parallelschaltung von sehr geringem Widerstand dar, so daß am Arbeitsluftspalt, der in Reihe mit dieser Parallelschaltung liegt, nahezu die

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gesamte Erregerdurchflutung zur Verfügung steht. D^es führt zu einer sehr hohen Empfindlichkeit des Relaissystems,, da die Erregerdurchflutung nahezu voll für die Ankerumschaltung und nicht für die Magnetisierung des Permanentmagneten und/oder schwacher Nebenschlüsse genutzt wird.

Ein "besonderer Vorteil "besteht dabei "bei einem erfindungsgemäß ausgelegten Elektromagnetsystem darin, daß der Permanentmagnet auch außerhalb des Elektromagnetsystems aufmagnetisiert werden kann, wenn dafür gesorgt wird, daß der Permanentmagnet und der' Nebenschluß auch außerhalb des Relaissystems einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden. Bisher mußten solche Permanentmagnete innerhalb des Relais aufmagnetisiert werden, da sonst noch größere Nachteile in Kauf genommen werden müßten, die im wesentlichen darauf beruhen, daß sich nach dem Aufmagnetisieren außerhalb des Relaissystems eine Feldstärke in der Nähe des Koe^zitivpunktes einstellen würde, die nach dem Einbau in das Relais ganz erheblich zusammenbricht und außerdem bei Veränderung des Arbeitslujiftspaltes ganz erheblich schwankt. Diese Feldstärke- bzw. Spannungsschwankungen werden noch wesentlich größer, wenn eine äußere Erregung über die Erregerspule angeschaltet wird. Dies ist deswegen besonders kritisch, weil die äußere Erregung einen Fluß erzeugt, der je nach Ankerstellung dem Fluß im Magneten gleich- oder entgegengerichtet ist. Bei gleichgerichteten Flüssen würde sich lediglich die erwähnte Feldstärke- bzw. SpannungsSchwankung noch erheblich verstärken. Noch weit- unangenehmer ist jedoch, daß bei entgegengerichteten Flüssen der Magnetfluß geschwächt und sogar überkompensiert werden kann. Der Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungskurve verschiebt sich dadurch irreversibel über den Koerzitivkraftpunkt hinaus zu negativen Flüssen, was als Umpolen beaeichnet wird und das Relais unbrauchbar macht.

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■Bei der erfind-ungsgemäßen Lösung kann jedoch, der Permanentmagnet auch außerhalb des Magnetsystems aufmagnetisiert und zusammen mit dem Nebenschluß nachträglich eingebaut werden. Der kräftige Nebenschluß belastet den Magneten bereits mit derart starken Flüssen, daß gleichsinnige oder entgegengerichtete Flüsse, die aus dem Magnetsystem kommen können, vergleichsweise gering sind und somit weder zu einem merklichen Zusammenbrechen der Feldstärke bzw. Betriebsspannung (bei Gleichsinnigkeit), noch etwa bei Gegensinnigkeit zu einer teilweisen oder gar vollständigen Kompensation führen können. Infolgedessen verändert sich der Arbeitspunkt des Magnetsystems auch dadurch nicht, daß das Magnetsystem überhaupt nicht vorhanden ist, wenn also der mit dem kräftigen Nebenschluß versehene Magnet, außerhalb des Magnetsystems aufmagnetisiert wird.

Es sind zwar bereits elektromagnetische Beiais bekannt, die ein Elektromagnetsystem mit einem parallel zu einem Permanentmagneten geschalteten Nebenschluß aus mangetisch leitendem Material besitzen. Die hier verwendeten Nebenschlüsse sind jedoch Hilfsnebenschlüsse, die nicht zur Aufnahme grosser Anteile des Permanentflusses bestimmt und somit zur Erzielung einer Konstanz der magnetischen Spannung geeignet sind, sondern nur als Abgleioh- und Justierhilfe bei unterschiedlichen Magneteigensehaften, Fertigungstoleranzen usw. dienen. Diese Hilfsnebenschlüsse haben also eine ganz andere Funktion und sind in keiner Weise mit den erfindungsgemäß verwendeten Nebenschlüssen vergleichbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der magnetische Widerstand der Arbeitsluftspalte des Elektromagnetsystems größer ist als der gesamte magnetische

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W-^derstand des übrigen Magnet sy st ems. Werden beim Aufbau des Elektromagnetsysterns diese Bedingungen eingehalten, so wird dadurch sichergestellt, daß die konstante magnetische Spannung nicht nur an der Parallelschaltung aus Permanentmagnet und Nebenschluß, sondern auch unmittelbar an den Arbeitsluftspalten zur Verfügung steht«

E^ne sehr gute konstruktive Lösung bei einem erfindungsgemäß ausgelegten Elektromagnetsystems ergibt sich dadurch, daß der Nebenschluß aus einem mit einer parallel zu zwei Jochen des Elektromagnetsystems verlaufenden Nut versehenen Klotz besteht, in die der Permanentmagnet eingesetzt ist. Die auf diese Weise den Magnet seitlich überragende Kante oder überragenden Kanten des Klotzes mit vergleichsweise geringem Querschnitt bilden dabei den eigentlichen Nebenschluß, so daß der gewünschte zusätzliche magnetische Widerstand ohne nennenswerten zusätzlichen Platzbedarf erzielt werden kann, während der übrige Teil des Klotzes praktisch einen magnetischen Kurzschluß bildet, über den die Enden des Magneten an die Joche herangeführt werden. Diese Art der Ausbildung des Nebenschlusses hat den Vorteil, daß der Permanentmagnet nach außen weitgehend abgeschirmt ist und von außen nicht ohne weiteres beeinflußt werden kann» Dies ist auch günstig bei einer Aufmagnetisierung des Permanentmagneten außerhalb des Magnetsystems. ^r

Eine Lösung, die in Bezug auf eine solche Aufmagnetisierung und für den Schutz des Permanentmagneten noch günstiger ist, ergibt sich dadurch, daß der Permanentmagnet in einen als Nebenschluß dienenden Klotz eingebettet ist, der an den Polflächen des Permanentmagneten anliegt und zumindest zwei seiner Seitenflächen umschließt. Der Klotz aus magnetisch leitendem Material kann dabei beispielsweise aus zwei im Quer-

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schnitt u-förmigen Teilen zusammengesetzt sein, die mit den Schenkeln des U den Permanentmagneten umfassen. Dieser ist infolgedessen nahezu völlig gegen äußere Einflüsse abgeschirmt und bildet mit dem Nebenschluß einen geschlossenen magnetischen Kreis. Der Teil des Klotzes, der an den Polflächen angrenzt, bildet dabei einen magnetischen Kurzschluß des Magneten zu den Jochen, während die U-Schenkel den eigentlichen Nebenschluß bilden«

Da normales Weicheisen eine hohe Permeabilität besitzt, die stark von der jeweils herrschenden feldstärke abhängt, kann es bei seiner Benutzung für den Nebenschluß vorkommen, daß bei den in dem Magnetsystem notwendigen Feldstärken die Permeabilität des Weicheisen-Nebenschlusses mit sinkender Feldstärke steigt. In diesem Fall würde eine am Nebenschluß herrschende magnetische Spannung infolge der steigenden Permeabilität bzw. des sinkenden Widerstandes des Nebenschlusses soweit zusammenbrechen, bis sich ein stabiler Zustand in der Nähe des Maximums der Al-Kurve einstellt. Um ein solches Absinken der Magnetspannung zu verhindern, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß im Nebenschluß ein dessen magnetischen Widerstand definierender luftspalt vorgesehen ist. Dieser Luftspalt bestimmt maßgeblich den magnetischen Widerstand des Nebenschlusses und verhindert große Schwankungen desselben.

Da die Dicke eines solchen Luftspaltes für eine exakte Pestlegung des magnetischen Widerstandes des Nebenschlusses

genau bemessen sein muß, wird im Hinblick auf eine relativ einfache Fertigung als vorteilhafte Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Nebenschluß aus zwei Teilen gebildet wird, die durch ein den Luftspalt darstellendes

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Abstandsblech voneinander getrennt sind. Derartige Abstands-"bleche sind im Handel beispielsweise in Form von eine äußerst exakte Dicke besitzenden Bronzefolien erhältlich und ermöglichen es, daß die beiden Teile des Nebenschlusses auf diese Bronzefolie gepreßt werden und somit einen exakten Abstand voneinander bekommen, der den magnetischen Widerstand des Nebenschlusses definiert. Zugleich verhindert ein solches Abstandsblech, daß sich Eisenspäne o. dgl. am und im Luftspalt ansammeln können, wodurch der liebenschlußwiderstand verändert und somit die exakte Arbeitsweise des Magnetsystems gefährdet würde.

In Weiterbildung der Erfindung ist anstatt des luftspaltes oder auch zusätzlich zu ihm vorgesehen, daß der magnetische Widerstand des Nebenschlusses mit wachsender magnetischer Feldstärke sinkt. Dies kann durch die Abstimmung zwischen dem für das Magnetsystem notwendigen Feldstärkebereich- und dem Nebenschluß-Material und/oder der Dimensionierung des Nebenschlusses erreicht werden und liefert einen zusätzlichen Stabilisierungseffekt für die magnetische Spannung. Steigt diese nämlich beispielsweise aufgrund der Erregung oder der Veränderung der Arbeitsluftspalte an, so reagiert darauf der Nebenschluß mit einem geringeren Widerstand, der die Spannungserhöhung wieder kompensiert. Ebenso wirkt dabei ein steigender Widerstand des Nebenschlusses einem Spannungszusammenbruch entgegen.

Zur einwandfreien Funktion eines Magnetsystems beispielsweise eines Relais ist es.wichtig, daß die Permanentmagnetspannung fertigungstechnisch reproduzierbar ist, damit der Verlauf der auf den Anker wirkenden Magnetkraft exakt festgelegt werden kann. Wären nämlich die Kräfte zu groß, so würde das

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Relais unempfindlich, wären sie zu klein, so würde die Funktionssicherheit des Relais beeinträchtigt. Wenn aus vorgenannten Gründen besonders hohe Anforderungen an die Reproduzierbarkeit des Kraftverlaufs gestellt werden, so kann ggf. in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß der magnetische Widerstand des Nebenschlusses nach dem Zusammenbau des Relais veränderbar ist. Dies kann auf verschiedene Weise, beispielsweise durch das Vorsehen einer Schraube aus magnetisierbarem Material, durch die der magnetische Widerstand des Nebenschlusses verändert werden kann, oder durch irgendwie den Widerstand des Nebenschlusses veränderbare Luftspalte im Nebenschlußweg ο. dgl. erfolgen. Als vorteilhafte Lösung wird jedoch vorgeschlagen, daß in Reihe mit dem Nebenschluß ein durch eine Folie mit unterschiedlichem Eisengehalt ausgefüllter Luftspalt vorgesehen ist, Diese Folie kann beispielsweise aus einem mit Eisenpulver durchsetzten Kunststoffplättchen bestehen, das in den Luftspalt einziehbar ist. Dabei kann das Eisenpulver längs des Kunststoffplättchens in unterschiedlicher Dichte enthalten sein, so daß ein Verschieben des Kunststoffplättchens den Nebenschluß vergrößert oder verkleinert. Bei dieser Lösung wird ebenfalls zugleich verhindert, daß sich im Betrieb an der Stelle eines Luftspaltes Eisenteilchen ansammeln, durch die die Betriebsdaten des Magnetsystems verändert würden.

Bei der erfindungsgemäßen Anbringung eines Nebenschlusses besteht noch eine weitere Möglichkeit zur Magnetspannungs±abilisierung in der Auswahl der Magnetstoffe. So werden in Weiterbildung der Erfindung dadurch äußerst günstige Ergebnisse erzielt, daß der Permanentmagnet aus einem derartigen Material besteht und der Arbeitspunkt (B_Q; H_Q) auf der Entmagnetisierungskurve durch den Nebenschluß so eingestellt ist, daß der Ausdruck B₀"+vu H_Q größer als 8000 Gauß ist, wobei B_Q die Kraftflußdichte im Arbeitspunkt, HL· die magnetische Feldstärke

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im Arbeitspunkt und ο die Permeabilität im Arbeitspunkt ist. Solche Bedingungen können z.B. in vorteilhafter Weise dadurch realisiert werden, daß der Permanentmagnet aus einer Alunainium-Nickelr- oder Aluminium-Nickel—Cobalt—Legierung besteht. Diese Magnetwerkstoffe besitzen Entmagnetisierungskurven, die hohe Flußdichten bei noch relativ hohen Feldstärken aufweisen. Derartige Entmagnetisierungskurven in Verbindung mit kräftigen Nebenschlüssen bewirken, daß Änderungen des übrigen magnetischen Widerstandes des Magnetsystems nur zu sehr geringen Schwankungen der Magnetspannung führen. Gleichzeitig besitzen solche Legierungen den Morteil einer sehr geringen Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften, was sich ebenfalls günstig auf die Konstanthaltung der magnetischen Spannung auswirkt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnet! seihen Relais mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetsystem,

Fig. 2 ein Analogieschaltbild des in dem in Fig. 1 gezeigten Relais verwendeten Magnetsystems,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines dem in

Fig. 1 gezeigten ähnlichen Relais, wobei jedoch der Magnetanker fortgelassen ist und der Permanentmagnet und der Nebenschluß eine modifizierte Gestaltung besitzen,

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4 eine Draufsicht auf ein den in Pig. 1 und Fig. 3 gezeigten ähnliches Relais mit einer modifizierten Ausgestaltung des Nebenschlusses,

Eig. 5 eine Ansicht einer weiteren modifizierten Ausgestaltung des Nebenschlusses und

Pig. 6 ein Diagramm, anhand dessen die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Magnetsystems und die günstigste Auswahl der zu verwendenden Permanentmagnetmaterialien erläutert wird.

Alle in den Zeichnungen gezeigten Relais besitzen zwei u-förmig ausgebildete Magnetjoche 1 u. 2, zwischen deren Basen jeweils ein Permanentmagnet 3 angeordnet ist. Zwischen den freien Schenkeln der Magnetjoche ist ein - nur in Pig. 1 gezeigter - Magnetanker 4 dergestalt schwenkbar gelagert, daß seine seitlichen,Endflächen jeweils an zwei sich diagonal gegenüberliegenden Schenkeln der Magnetjoche 1 u. 2 zum Anliegen kommen können. Der Magnetanker 4 ist zu seiner Erregung von einer in I¹Ig₀ 1 nur schematisch dargestellten Magnetspule 5 umgeben_o Solche Relais mit den bisher beschriebenen Teilen sind bekannte gepolte und in der Regel bistabile Relais mit deren ebenfalls bekannter Arbeitsweise.

Gemäß der Erfindung ist das Magnetsystem bei diesen Relais so ausgebildet, daß zusätzlich zu dem Permanentmagneten'3 zwischen den Jochen 1 u. 2 ein den Permanentmagnet zumindest teilweise überbrückender Nebenschluß 6 aus magnetisierbarem Material vorgesehen ist, der bewirkt, daß der magnetische Widerstand der Parallelschaltung aus Permanentmagnet und Nebenschluß kleiner ist als die jeweilige Summe der übrigen magne-

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• Ά.

tischen Widerstände des Magnetsystems. In Fig. 1 erstreckt sich dabei der Permanentmagnet 3 von einem Joch bis zum anderen Joch, wobei der Nebenschluß aus einer parallel zum Permanentmagneten 3 liegenden, die beiden Joche Iu. 2 miteinander verbindenden Brücke besteht. Durch diese Brücke aus magnetisch leitendem Material werden die angegebenen Verhältnisse, wie anhand der Fig. 6 erläutert wird, erreicht.

Zum besseren Verständnis werden hier teilweise Begriffe der Elektrotechnik verwendet. Entsprechend ist in Fig. 2 auch ein als elektrische Schaltung dargestelltes Schaltschema angegeben, das die magnetischen Verhältnisse des in Fig. 1 gezeigten Relais wiederspiegelt. Als Spannungsquellen sind dabei die magnetische Erregerspan—nung U₁-, die durch die Magnetspule 5 bei deren Erregung hervorgerufen wird, und die Permanentmagnetspannung U₃ vorhanden, die sich aufgrund der Stärke des Permanentmagneten ergibt. In Reihe mit der Spannungsquelle für die Permanentmagnetspannung U~ liegt dabei ein Widerstand, der den magnetischen Innenwiderstand R. dieser Spannungsquelle darstellt und sich aus der Permeabilität und den Abmessungen des Permanentmagnetmaterials ergibt. Parallel zu dem Innenwiderstand R. und der Spannungsquelle mit der Spannung U_ liegt ein weiterer Widerstand, der den magnetischen Nebenschlußwiderstand R darstellt und sich aus der Permeabilität des Materials des Nebenschlusses 6 und dessen Abmessungen ergibt. Die Parallelschaltung aus dem Innenwiderstand R^ und der Spannungsquelle mit der Spannung U₃ mit dem Nebenschlußwiderstand R verkörpert somit ein Ersatzschaltbild für eine magnetische Spannungsquelle, die aus dem Permanentmagneten 3 und dem Nebenschluß 6 besteht.

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Parallel zur Spannungsquelle für die magnetische Erregerspannung U₁- liegen weitere Widerstände R₁. _Λ und R₁. _o sowie R₁. ~ und R .. Diese Widerstände stellen die magnetischen Widerstände dar, die durch die Arbeitsluftspalte zwischen dem Magnetanker4und den einzelnen Schenkeln der Magnetjoche 1 u. 2 gebildet werden. Diese Widerstände sind infolgedessen in Abhängigkeit von der Ankerstellung variabel.

Anhand dieses Analogieschaltbildes ist ersichtlich, daß ohne Nebenschluß (für einen zu großen Nebenschlußwiderstand R gilt Entsprechendes) die Magnetspannung aufgrund des sehr hohen Innenwiderstandes R. äußerst stark schwanken würde, wenn sich die Luftspaltwiderstände R, ändern. Zudem müßte bei äußerer Erregung die magnetische Erregerspannung U₁- viel größere Werte als an und für sich nötig annehmen, da die Durchflutung aufgrund der äußeren Erregung auch den sehr hohen Innenwiderstand R. überwinden muß. Hierbei wird — beispielsweise schon bei geringen Übererregungen - sehr leicht der Permanentmagnet so stark entmagnetisiert, daß sich ein völlig anderer Arbeitspunkt einstellt, der die Betriebsdaten des Relais so verändert, daß dieses nicht mehr vorschriftsmäßig oder überhaupt nicht mehr arbeitet. Ebenfalls kann es dabei leicht zu Umpolungen des Permanentmagneten kommen, wodurch das Relais völlig unbrauchbar wird. Bei solchen bekannten Relais ohne kräftigen Nebenschluß werden teilweise außerdem noch zusätzliche, nennenswerte magnetische Widerstände geschaffen, indem die Weicheisenwege des Relais in Sättigung betrieben werden. Wegen des hohen Innenwiderstandes R. und solcher zusätzlichen Widerstände aufgrund von Sättigung wird dabei das Magnetsystem bzw. das Relais sehr unempfindlich.

Wenn nun jedoch gemäß der Erfindung der magnetische Nebenschlußwiderstand R_M vorgesehen ist, der kleiner ist als die

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jeweilige Summe der übrigen magnetischen Widerstände, also der luftspaltwiderstände und sonstiger Widerstände im Eisenweg des Magnetaystems bzw. Relais, so ist aus dem Schaltbild gemäß Fig. 2 leicht ersichtlich, daß durch die Parallelschaltung aus R.', TJ, und R^ eine Magnet spannung s quelle geschaffen ist, die im wesentlichen eine konstante magnetische Spannung liefert, die durch Veränderungen der übrigen magnetischen Widerstände des Magnetsystems nur unwesentlich beeinflußt werden kann. Diese Magnetspannungsquelle ist dabei selbstverständlich umso konstanter, je kleiner der Hebens chlußwider st and R-^ im Vergleich zu den übrigen Magnetwiderständen ist. Will man diese Spannung möglichst unverändert an die Arbeitsluftspalte heranbringen, so muß man darauf achten, daß auch die übrigen Weicheisenwiderstände, insbesondere von Anker und Jochen klein sind gegenüber den Widerständen der Arbeitsluftspalte. Dies führt dazu, daß auch, die Erregerspannung Uj- nahezu voll an den Arbeitsluftspalten zur Verfügung steht, weil andere Widerstände, die magnetisiert werden müßten, in nennenswerter Größe nicht vorhanden sind. Dies führt zu der höchstmöglichen Empfindlichkeit.

Anstatt den magnetischen Nebenschluß wie in Fig. 1 gezeigt auszubilden, kann er auch gern» Fig. 2 aus einem mit einer parallel zu den Jochen 1 u. 2 verlaufenden Nut 7 versehenen Klotz 8, in die der Permanentmagnet 3 eingesetzt ist, bestehen. Dabei bildet der schmale, den Permanentmagneten 3 seitlich überragende Teil 9 den eigentlichen Hebenschluß, während der übrige Teil 10 des Klotzes 8 praktisch einen magnetischen Kurzschluß des Permanentmagneten 3 mit dem Joch 1 darstellt. Der gesamte Klotz 8 kann beispielsweise aus Weicheisen bestehen,

Die Möglichkeit einer zusätzlichen Justierung der magnetischen Spannung bietet eine Ausgestaltung gem. Pig. 4, bei der

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an dem sieh zwischen den beiden Jochen 1 u. 2 erstreckenden Nebenschluß 6 an dessen linker Seite ein luftspalt vorgesehen ist, der dureh-eine Folie 11 ausgefüllt ist. Diese Folie 11 kann "beispielsweise aus einem Kunststoffplättchen "bestehen, das in unterschiedlicher Dichte mit Eisenpulver durchsetzt ist. Wird dieses Plättchen somit in der Richtung weiter in den luftspalt hineingeschoben, in der die Dichte des Eisenpulvers auf dem Plättchen ansteigt, so wird der Nebenschluß vergrößert, während er im entgegengesetzten Fall verkleinert wird. Dadurch wird praktisch der Nebenschlußwiderstand IUj. variabel gemacht. Die Ausfüllung des luftspaltes mit einer Folie bewirkt dabei zusätzlich, daß sich während des Betriebes keine 'Eisenteilchen o. dgl. an dem luftspalt ansammeln und somit den Arbeitspunkt des Magnetsystems verändern können«,

In Fig. 5 ist eine andere Ausgestaltung einer Parallelschaltung aus einem Permanentmagneten 3 tmd einem Nebenschluß 6 gezeigt« Der Nebenschluß besteht hier aus zwei Teilen 12 u.13, die jeweils u-förmigen Querschnitt besitzen und den Permanentmagneten 3 zwischen sich einbetten. Die aufeinander zuweisenden und durch einen luftspalt in Form eines dünnen Abstandsbleches 14 aus Bronzefolie voneinander getrennten Schenkel der u-förmigen Teile bilden dabei den eigentlichen Nebenschluß, während die an den Polflächen des Permanentmagneten angrenzenden Bereiche einen Kurzschluß des Permanentmagneten zu angrenzenden Jochen o. dgl. darstellen. Eine solche Parallelschaltung aus Permanentmagnet und Nebenschluß besitzt den Yorzug, daß der Permanentmagnet nahezu völlig geschützt und abgeschirmt ist und auch außerhalb des Magnetsystems mit dem Nebenschluß einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, durch den eine Aufmagnetisierung außerhalb des Magnet-

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systems ermöglicht wird. Da das Abstandsblech 14 aus einem Material mit einer Permeabilität besteht, die der von Luft entspricht und nicht von der vorhandenen Feldstärke abhängig ist, definiert es einen äußerst exakt bemessenen Luftspalt, der den magnetischen Widerstand des Nebenschlusses bestimmt .und dafür sorgt, daß die magnetische Spannung nicht aufgrund der feldstärkeabhängigen Permeabilität weitgehend zusammenbrechen kann. Anstelle eines so oder anders gearteten Luft— Spaltes im Nebenschluß oder auch zusätzlich kann für diesen auch ein Material gewählt werden, dessen Widerstand mit steigender Feldstärke sinkt und das somit einer Veränderung der magnetischen Spannung entgegenwirkt. Diese Wirkung läßt sich mit Hilfe der Fig. 2 veranschaulichen. Steigt dort beispielsweise wegen Veränderung der Luftspaltwiderstände FL oder der Erregerspannung U₅ die magnetische Spannung an der Parallelschaltung aus R., U₃ und R„, so wird wegen des gewählten Materials der Nebenschlußwiderstand kleiner, was zu einer Kompensation dieser Spannungserhöhung führt. Entsprechendes gilt dabei für ein Absinken der Spannung an der Parallelschaltung.

In Fig. 6 sind mit einer die Kraftflußdichte B angebenden Ordinate und einer die magnetische Feldstärke H angebenden Abszisse Entmagnetisierungskurven für unterschiedliche Magnetmaterialien gezeigt. Dabei ist einmal eine Entmagnetisierungskurve für die bisher beispielsweise in Relais vielfach verwendeten Permanentmagnetmaterialien (Oxydmaterial) und andererseits die Entmagnetisi-erungskurve für eine bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung als Permanentmagnetmaterial zu bevorzugenden Aluminium-Nickel-Cobalt-Legierung gezeigt.

Solche Entmagnetisierungskurven geben keineswegs unmittel-

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bar das Verhalten des Magneten für verschiedene Belastungszustände wieder. Vielmehr stellt sich nach dem Aufmagnetisieren auf der Entmagnetisierungskurve ein Arbeitspunkt (B₀; H_Q) ein, der durch den Fall geringster Flußbelastung bestimmt wird. Der Permanentmagnet wird mit hohen Flüssen aufmagnetisiert. Beim Abschalten dieser Aufmagnetisierung sinkt der Fluß bis zu dem Wert, der von dem Nebenschlußwiderstand und ggf. von den übrigen magnetischen Widerständen aufgenommen wird.

Bei Änderung der Ankerstellung oder Einschalten einer Erregung verschiebt sich dann der Arbeitspunkt weiter, bis der unter allen vorkommenden Betriebszuständen kleinste Fluß bzw. Induktionswert erreicht ist. Im normalen Betrieb können dann nur noch größere Induktionen im Magneten auftreten. Seine Feldstärke ändert sich dann nicht mehr gemäß der Entmagnetisierungskurve, sondern ungefähr entlang einer Geraden, die vom tiefsten Arbeitspunkt (B₀; H~) auf der Entmagnetisierungskurve ausgeht und die Steigung _ΔΒ ₌ (permeabilität des Magnetmaterials) hat, wie die ausgezogene, vom eingezeichneten Arbeitspunkt (B ; H_n) nach rechts oben steigende Gerade für die Al-Ni-Co-Legierung oder die gestrichelte Gerade für das Oxydmaterial zeigt. Links der Entmagnetisierungskurve gilt diese Gerade jedoch nicht. Darum wird sich, wenn der Magnet durch irgendeinen Vorgang noch weiter entlastet wird, die Induktion auch nur vorübergehend noch kleiner wird, als bisher vorgekommen, der Arbeitspunkt auf der Entmagnetisierungslinie weiter nach unten verschieben. Es gilt dann beispielsweise eine Arbeitsgerade, wie sie für das Al-Ni-Co-Matexial gestrichelt eingezeichnet ist, die etwa parallel zu der ausgezogenen, vom eingezeichneten Arbeitspunkt (B₀; Hq) schräg, nach rechts oben verlaufenden Arbeitsgeraden verläuft.

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Diese zuletzt beschriebene Erscheinung ist ein ernstes Kriterium beispielsweise bei allen bekannten Haftrelais, denn . immer, v/enn eine Erregung eingeschaltet wird, die größer ist als alle bisher angewendeten Erregungen, verschiebt sich der Arbeitspunkt des Magneten weiter nach unten, v/odurch die Betriebsdaten des Relais verändert v/erden. Schon dabei kann das Relais unbrauchbar werden. Es kommt aber zu einer völlig veränderten Verhaltensweise des Relais, wenn sich der Arbeitspunkt auf der Entmagnetierungslinie nach unterhalb der Abszisse verschiebt, wo sich die Entmagnetisxerungskurve fortsetzt, obwohl das üblicherweise.und auch in Fig. 6 nicht gezeichnet ist. Wie noch ersichtlich wird, wird diese äußerst nachteilige Erscheinung durch das erfindungsgemäße Magnetsystem praktisch völlig ausgeschlossen.

Außer den bisher beschriebenen Kurven ist in Fig. 6 noch eine Gerade a eingezeichnet, die den Nebenschluß repräsentiert und angibt, welche Flüsse der Nebenschluß bei welchen magnetischen Spannungen dem Permanentmagneten entnimmt, (oder genauer: welche Induktion bei welchen Feldstärken), sofern das Magnetsystem selber keinen Magnetfluß benötigt. Die Steigung der Geraden a ist also ein Maß für den magnetischen Leitwert des Nebenschlusses, mit dem der Permanentmagnet belastet wird. Der Schnittpunkt dieser Geraden a mit der Entmagneti— sierungskurve ist der Arbeitspunkt (B_n; Η,.), der sich ergeben würde, wenn die übrigen magnetischen Widerstände des Magnet>systems unendlich groß wären gegenüber dem Nebenschlußwider— stand R_M, oder wenn das Magnetsystem in geeigneter Weise erregt wird. Berücksichtigt man aber, daß diese übrigen Widerstände auch endliche Werte besitzen, so ergibt sich eine andere Gerade b durch den Nullpunkt, die den Gesamtleitwert des ' Magnetsystems repräsentiert und deren Steigung beispielsweise entsprechend den veränderlichen Luftspaltwiderständen R_L und der unterschiedlichen Erregung in geringem Maße schwanken

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kann. Der Schnittpunkt dieser Geraden b mit der/j-Geraden bestimmt dann den jeweiligen Arbeitspunkt auf der/u-Geraden■ Die Steilheit dieser Geraden b, die bei normalem Betrieb des Magnetsystems immer großer ist als die der Geraden a, errechnet sich aus der Summe des Leitwertes des Nebenschlusses und der übrigen Leitwerte des Systems. Da der Nebenschluß selbst erfindungsgemäß schon eine sehr steile Gerade a bewirkt, wird die Steilheit der Geraden b durch weitere Belastungen des Magnetsystems durch Luftspaltwiderstände und Erregung nur unwesentlich steiler, d.h. die Arbeitspunkte liegen eng beieinander. Um die Lage des Arbeitspunktes (B_Q; H_Q) zu verändern, bedürfte es somit außergewöhnlich starker Einflüsse, wie beispielsweise einer äußerst starken Übererregung, die praktisch nicht vorkommen. Es ist aber ersichtlich, daß starke Übererregungen, die beispielsweise zu der gestrichelt gezeigten yu-Geraden führen würden, den Arbeitspunkt des Magnetsystems aufgrund der ausgewählten Magnetisierungskurve nicht stark verschieben können. Auch bei einer solchen Verschiebung würde die magnetische Spannung nur unwesentlich variieren, und zwar umso weniger je steiler die Entmagnetisierungskurve verläuft.

Grundsätzlich ist es natürlich möglich, eine stabile Magnetspannungsquelle auch ohne Nebenschluß dadurch zu erzeugen, daß man den Innenwiderstand des Magneten R. » ausreichend

1 yu q

klein hält. Dazu ist es erforderlich, die Länge -£ des Magneten sehr klein und den Querschnitt q sehr groß zu machen; insbesondere wenn außerdem noch wie bei Oxydmaterial das yu kleiner ist als bei anderen Materialien. Dieses führt in der Regel zu außerordentlich dünnen, großflächigen Magnetplättchen, die sehr schwer herstellbar sind und außerdem eine sehr große Grundfläche im Magnetsystem bzw. Relais erfordern, wodurch diese Magnetsysteme unnötig groß werden.

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Wenn man diesen Weg beschreitet, hat man after noch einen entscheidenden weiteren Nachteil in Kauf zu nehmen, der darin besteht, daß "bei fehlendem Nebenschluß der gesamte äußere Erregerfluß über den Magneten geführt wird. Infolgedessen genügen schon verhältnismäßig geringe Erregerdurchflutungen bzw. -flüsse, um den Magneten umzupolen, zumindest aber seinen Arbeitspunkt zu -verlagern, wenn - was in einer bestimmten Ankerstellung immer der Fall ist - äußerer Erregerfluß und Permanentmagnetfluß entgegengesetzt gerichtet sind.

Um das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen, hat man demnach möglichst kräftige Nebenschlüsse zu verwenden und muß ein dafür geeignetes Material auswählen; d. h. dieses Material muß bei für den kräftigen Nebenschluß ausreichenden Flüssen bzw. hohen Flußdichten noch eine Feldstärke liefern, bei der man mit einer an die Raumverhältnisse im Magnetsystem und an die Fertigungsbedingungen besser angepaßten größeren Magnetlänge die gewünschte Betriebsspannung für das Magnetsystem erzielt.

Solche Materialien haben Entmagnetisierungskurven, die mit einer steilen Nebenschlußgeraden a in Fig. 6 einen solchen Schnittpunkt (B₀; Hq) ergeben und die außerdem einen solchen fti-Wert haben, daß der Ausdruck Bq+^uHq möglichst groß ist» In erster Näherung kann man einfach das Material wählen, des-.sen Remanenzpunkt B am höchsten liegt.

Es hat sich gezeigt, daß es sinnvoll ist, möglichst solche Materialien zu verwenden, bei denen der Ausdruck Bq+ äiHq über 8000 G-auß liegt. Im Augenblick ist das bei hochwertigen Al-Ni-Go-Materialien der Fall.

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Diese sind für eine Konstanthaltung der magnetischen Spannung äußerst förderlich, da für große Kraftflußdichten B noch erhebliehe Feldstärken H vorhanden sind. Das "bedeutet aber, daß auch "bei sehr starken Nebenschlüssen der B₀;HQ-Punkt noch im Bereich ausreichend großer Feldstärken liegt, so daß die magnetische Spannung durch starke Nebenschlüsse konstant gehalten wird und trotzdem noch die für das Magnetsystem notwendige magnetische Spannung erhalten wird. Außerdem ist aus Fig. 6 noch ersichtlich, daß die eingezeichneten p-G-eraden beim Al-Ni-Co-Material wesentlich steiler verlaufen als beim Oxyd-Material. Auch dies ist günstiger für eine Konstanthaltung der magnetischen Spannung, da bei einem bestimmten Winkel zwischen den G-eraden a und b der Unterschied der Η-Werte in den Schnittpunkten der G-eraden a und b mit der p-Geraden bei steilen /u-Geraden geringer ist als bei weniger stellen p-G-eraden. Außerdem ist der Winkel zwischen den Geraden a und b bei gleicher Belastungsänderung im Magnetsystem umso kleiner, je steiler a an sich schon ist,,

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Claims

23S51

dta«

Patentansprüche

M. lElektromagnetsystem mit einem parallel zu einem Permanent-—magneten geschalteten Nebenschluß aus magnetisch leitendem Material, insbesondere für elektromagnetische Relais, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand der Parallelschaltung aus Innenwiderstand des Permanentmagneten (3) und Nebenschluß (6) kleiner ist als die jeweilige Summe der übrigen magnetischen Widerstände des Magnetsystems.
2. Elektromagnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand (R-r) der Arbeitsluftspalte des Elektromagnetsystems größer ist als der gesamte magnetische Widerstand des übrigen Magnet systems,,
3. Elektromagnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß (6) aus einem mit einer parallel zu zwei Jochen (1 u. 2) des Elektromagnetsy-

■ stems verlaufenden Hut (7) versehenen Klotz (8) besteht, in die der Permanentmagnet (3) eingesetzt ist.
4. Elektromagnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) in einen als Nebenschluß dienenden Klotz eingebettet ist, der an den Polflächen des Permanentmagneten anliegt und zumindest zwei seiner Seitenflächen umschließt (Pig. 5)·

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5. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß (6) ein dessen magnetischen Widerstand definierender Luftspalt vorgesehen ist c
6. Elektromagnetsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß.der Nebenschluß (6) aus zwei Teilen (12, 13) gebildet wird, die durch ein den Luftspalt darstellendes Abstandsblech (14) voneinander getrennt sind.
7. Elektromagnetsystem nach einem'der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand [B,-^) des Nebenschlusses (6) mit wachsender magnetischer Feldstärke sinkt.
8. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Widerstand (Rjt) des Nebenschlusses (6) nach dem Zusammenbau des Relais veränderbar ist. ^-
9. Elektromagnetsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Nebenschluß (6) ein durch eine Folie (11) mit veränderlichem Eisengehalt ausgefüllter Luftspalt vorgesehen ist« . . .
10. Elektromagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet aus einem derartigen Material besteht und der Arbeitspunkt (B_Q; Hq) auf der Entmagnetisierungskurve durch den Nebenschluß so eingestellt ist, daß der Ausdruck B_Q+ juH_Q größer als 8000 Gauß ist, wobei B_Q die Kraftflußdichte im Arbeitspunkt, Hq die magnetische Feldstärke im Arbeitspunkt und yu. die Permeabilität im Arbeitspunkt ist.

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11. Elektromagnetsystem nach Anspruch 10 ₉ dadurch, gekennzeichnet daß der Permanentmagnet (3) aus einer Aluminium-Hickel- oder Aluminium-Iiickel-Cotialt-Itegierung "besteht.

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