DE2828155A1 - Elektrisches relais mit mehreren betriebsschwellenwerten - Google Patents

Description

OREGA Circuits et Commutation . 27. Juni 1978 50, rue Jean-Pierre-Timbaud. 92402 Courbevoie / Frankreich

Unser Zeichen; 0 367

Elektrisches Relais mit mehreren Betriebsschwellenwerten

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Relais mit eingeschmolzenen Kontakten, d.h. Schutzrohrrelais, und betrifft insbesondere Relais, die für Werte von Strömen empfindlich sind, welche zwischen oder außerhalb von Stromstärkegrenzwerten, die einen minimalen und einen maximalen Schwellenwert bilden, liegen. Die Erfassung dieser Schwellenwerte ist sehr häufig mit einer Einwirkung auf die Stromquelle verbunden, auf die derart eingewirkt wird, daß die Schwellenwerte nicht überschritten werden.

Die Überwachung dieser Stromstärkeschwellenwerte erfolgt nach einer von mehreren bekannten Methoden insbesondere mit Hilfe von Relais, deren Spule von dem zu überwachenden Strom durchflossen wird: ein zu schwacher oder ein zu starker elektrischer Strom bewirkt, daß das Relais aus einer stabilen Position in eine andere stabile Position kippt, so daß der Strom auf diese

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Weise auf das Öffnen oder das Schließen eines Kontakts einwirkt, der direkt oder indirekt die Quelle des zu überwachenden Stroms steuert.

Unter den in der Praxis benutzten Relais erscheinen häufig zwei Typen: Relais mit ungeschützten Kontakten und Relais mit eingeschmolzenen Kontakten (Schutzrohrrelais). Diese elektromechanischen Relais arbeiten folgendermaßen: das durch eine Steuerspule erzeugte Magnetfeld ruft die Verschiebung eines ferromagnetischen Ankers hervor, der einer elastischen Rückstellkraft ausgesetzt ist. Der bewegliche Anker wirkt über geeignete Übertragungsvorrichtungen auf einen oder mehrere elektrische Kontakte ein. In dem Fall von Relais mit ungeschützten Kontakten machen die unvermeidlichen Oxydationen und diversen Verschmutzungen der Kontakte eine hohe Auflagekraft zwischen den Kontakten zum Unterbrechen oder Durchbrechen der Isolier- oder Schmutzschicht erforderlich: die Relais mit ungeschützten Kontakten sind deshalb weniger empfindlich als die Schutzrohrrelais, die den Gegenstand der Erfindung bilden.

Dagegen weisen die Schutzrohrrelais diese Nachteile nicht auf. Sie bestehen aus einer Spule oder einer Anordnung von Spulen, die ein Röhrchen aus Isoliermaterial umgibt, wenigstens zwei elektrischai Kontakten, von denen wenigstens einer aus einer federnden Zunge besteht und die in das Röhrchen so eingeschmolzen sind, daß die biegsame Zunge im Verlauf ihrer Verstellung an dem anderen Kontakt in Anlage kommt oder sich von ihm entfernt. In gewissen Fällen kann die federnde Zunge zwei stabile Positionen einnehmen, die zwei starren Kontakten entsprechen, wobei es sich um einen allgemeineren Fall von Umschaltrelais handelt, die im Rahmen dsr Erfindung liegen. Der wesentliche Teil der Metallteile einschließlich der Teile außerhalb des Röhrchens besteht aus ferromagnetischem

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Material, so daß, wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, sich das daraus resultierende Magnetfeld im Innern des Röhrchens, vorzugsweise über die Zungen, schließt. Die resultierende Kraft, die auf die federnde Zunge ausgeübt wird, verstellt sie, bis sie eine der beiden stabilen Positionen ihres bistabilen Gleichgewichts einnimmt. Die andere stabile Gleichgewichtsposition wird durch Abnahme des Magnetfeldes, das vorher die bewegliche Zunge verstellt hatte, unter einen gewissen Schwellenwert erreicht.

Das vorgenannte Magnetfeld, dem die Zungen ausgesetzt sind, kann in gleicher Weise aus dem Magnetfeld, das durch die Steuerwicklung erzeugt wird, oder aus der Zusammensetzung dieses Feldes mit dem eines dem Schalter zugeordneten Magneten resultieren.

Der Aufbau eines Schutzrohrrelais gestattet, mehrere Röhrchen im Innern der Spule unterzubringen, sofern für die Röhrchen in dem Dorn, auf den die Spule gewickelt ist, Platz vorgesehen ist. Dadurch lassen sich Relais mit mehreren Empfindlichkeitsschwellenwerten herstellen.

Die Erfassung der verschiedenen Stromschwellenwerte erfolgt gemäß dem Stand der Technik nach mehreren Methoden, zu denen als nicht als Einschränkung zu verstehendes Beispiel die elektromechanischen Relais und die Schutzrohrrelais mit mehreren Röhrchen gehören.

Elektromechanische Relais mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten werden ein und demselben Stromkreis zugeordnet, durch den der zu überwachende Strom fließt. Da aber, wie oben be-

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reits erwähnt, die elektromechanischen Relais wenig empfindlich sind, können sie vor allem Ströme nur in extremen Verhältnissen erfassen, die nur eine geringe Abweichung haben: sie benötigen eine Spule mit großen Abmessungen, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, und die Anordnung ist daher voluminös, erfordert eine mechanische Einstellung der Empfindlichkeiten und ist teuer. Schließlich sind diese mechanischen Relais aufgrund ihrer bewegten Massen langsam.

Eine andere bekannte Lösung besteht darin, ein Schutzrohrrelais zu benutzen, bei welchem im Innern der Relaisspule wenigstens zwei Röhrchen angeordnet sind, deren unterschiedliche Empfindlichkeiten den zu erfassenden Schwellenwerten angepaßt sind. Diese Lösung vereinigt in sich die Vorteile, die mit dem Gebrauch von Schutzrohrrelais verbunden sind: geringe Abmessungen, Empfindlichkeit, geringer thermischer Widerstand, der gelegentliche Überstromstärken gestattet, und Betriebsschnelligkeit. Diese Lösung, die in gewissen Bereichen von Strömen ausgezeichnet ist, weist nichtsdestoweniger den Nachteilt auf, begrenzt zu sein: die zulässigen Abweichungen zwischen den empfindlichsten und den unempfindlichsten dieser industriell herstellbaren Schalter überschreiten gemäß dem Stand der Technik nicht

- ein Verhältnis von 5 bis 7 für ihre Anzugserregung* und

- ein Verhältnis von 8 bis 12 zwischen der Anzugsempfindlichkeit des einen und der Abfallempfindlichkeit des anderen.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß der magnetische Fluß, der einen im Innern einer Wicklung angeordneten Schutzrohrkontaktschalter durchquert, viel stärker ist als der magnetische Fluß, der einen außerhalb der Wicklung angeord-

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neten Schalter durchquert. Die zulässigen Abweichungen zwischen den empfindlichsten und den unempfindlichsten dieser Schalter erhöhen sich dann um diejenigen der beiden Werte der inneren bzw. äußeren magnetischen Felder.

Darüberhinaus führt die Verwendung eines magnetischen Materials, dessen Curiepunkt spezifisch gewählt ist und das zwischen der Spule und dem äußeren Schalter angeordnet und thermisch mit der Spule in Verbindung steht, zur Zustandsänderung des äußeren Schalters in Abhängigkeit von der Temperatur der Wicklung, d.h. in Abhängigkeit von der Überstromstärke des Stroms, der die Wicklung ausgesetzt ist und deren entsprechende Erwärmung sich zu der Umgebungstemperatur, die um die Anordnung herum herrscht, addiert.

Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß ein schwacher magnetischer Fluß, der von einem schwachen Strom herrührt, auf den inneren Schalter einwirkt, während ein starker magnetischer Fluß, der aus einem starken Strom resultiert, welcher die Spule erwärmt hat, auf den äußeren Schalter, den Überlastdetektor, einwirkt.

Die Erfindung umfaßt außerdem den allgemeineren Fall, in welchem sich mehrere Schutzrohrkontaktschalter im Innern der Spule und mehrere Schalter außerhalb der Spule befinden. Nichtsdestoweniger wird zur Vereinfachung der Beschreibung im folgenden der Fall betrachtet, in welchem nur zwei Schalter vorhanden sind, einer innerhalb der Spule und einer außerhalb der Spule.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen

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näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Relais nach der Erfindung,

Fig. 2 ein einfaches Modell des den Magnetfluß

leitenden Teils,

Fig. 3 ein weitergebildetes Modell des magne

tischen Teils von Fig. 2,

Fig. 4 ein Relais nach der Erfindung mit einem

magnetischen Nebenschluß, der den äußeren Schalter von der Spule trennt,

Fig. 5 schematisch die Betriebsweise dieses Re

lais , wenn die Spule von einem schwachen Strom durchflossen ist, und

Fig. 6 schematisch die Betriebsweise dieses Re

lais, wenn die Spule von einem Strom durchflossen ist, der ausreichend stark ist, um sie zu erwärmen.

Fig. 1 zeigt ein Relais nach der Erfindung. Es ist aus einem im Innenraum 16 einer Spule 3 angeordneten Schutzrohrkontaktschalter 1 aufgebaut. Ein zweiter Schutzrohrkontaktschalter 2 ist im Außenraum 17 der Spule neben derselben angeordnet. Wenn kein Strom durch die Spule fließt, sind die beiden Schalter in einem Ausgangs- oder Ruhezustand. Ein bestimmter Strom in der Spule bringt, wenn er eine ausreichende Stromstärke erreicht, den inneren Schalter dazu, aus dem Ruhezustand in den anderen Gleichgewichtszustand, d.h. in den Arbeitszustand

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zu kippen. Ein stärkerer Strom wirkt unter Erzeugung eines stärkeren Magnetfeldes ab einem gewissen Schwellenwert auf den außerhalb der Spule angeordneten Schalter ein, der seinerseits aus dem Ruhezustand in den Arbeitszustand kippt. Es wird somit die Tatsache ausgenutzt, daß ein schwacher Strom ein zentrales Feld in der Spule erzeugt, das auf den inneren Schalter einwirkt, welcher sich wie ein Relais mit unterem Schwellenwert verhält, während ein starker Strom in der Spule ein Magnetfeld erzeugt, das viel stärker ist als das, das auf einen zweiten Schalter im Innenraum der Spule einwirken würde und so groß ist, daß sein Streufeld im Außenraum auf den äußeren Schalter einwirkt, der sich wie ein Relais mit oberem Schwellenwert verhält.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung bildet jedoch der Aufbau des magnetischen Kreises, der die Einstellung der Schwellenwerte erleichtert. Zu diesem Zweck und im Gegensatz zum Stand der Technik, der diese Art der Weiterbildung nicht kennt, trägt die Spule an jedem ihrer Enden in einer Hauptachse ein ferromagnetisches Teil 4, 5, das den Magnetfluß außerhalb der Spule leitet und so ausgebildet ist, daß es den Fluß vorzugsweise zu dem äußeren Schalter leitet. Diese ferromagnetischen Teile sind einteilig ausgebildet, wie es beispielsweise das in Fig. 2 dargestellte Modell eines dieser Teile zeigt. Diese Teile haben jeweils zwei Durchlässe, einen für eine Elektrode des inneren Schalters und einen für eine Elektrode des äußeren Schalters. Wenigstens eines dieser ferromagnetisehen Teile ist vorzugsweise von der in Fig. 3 dargestellten Bauart: die äußeren Formen spielen dabei keine wichtige Rolle, wichtig ist, daß zwei ferromagnetische Teile 8 und 9 fest mit einem Halter 10 verbunden sind, der aus einem magnetisch isolierenden Material besteht, während

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ein ferromagnetischer Stab 11 frei verschiebbar in einer Ausnehmung 12 angeordnet ist, die in dem isolierenden Halter 10 so gerichtet gebildet ist, daß der darin verschiebbare Stab 11 sich in der Nähe der beiden Teile 8 und 9 befinden kann. Darüberhinaus ist die Gesamtanordnung, die aus den Teilen 8, 9 und 10 besteht, so wie das zuvor beschriebene und in Fig. 2 dargestellte Teil,geschlitzt, damit zwei Elektroden hindurchgeführt werden können, von denen die eine zu dem inneren Schalter und die andere zu dem äußeren Schalter gehört.

Die beiden ferromagnetischen Teile 4 und 5 können vorteilhafterweise elektrisch gut isolierend sein.

Schließlich ist in dem Spulenkörper der Spule 3 parallel zu der Hauptachse eine Ausnehmung 7 gebildet, in welcher ein ferromagnetischer Stab 6 verschiebbar ist, dessen Länge wenigstens gleich der der Spule ist.

Die Einstellung der Empfindlichkeiten der Schalter, d.h. die ihrer Arbeitspunkte wird folgendermaßen vorgenommen. Die Ein-'stellung des inneren Schalters wird durch die Verschiebung des ferromagnetischen Stabes 6 in seiner Ausnehmung 7 vorgenommen. Dieser Stab, der zu den beiden Zungen des inneren Schalters parallel ist und sich wie diese im Innern der Spule befindet, bildet einen magnetischen Nebenschluß für den inneren Schalter. Bei NichtVorhandensein des Stabes geht der Magnetfluß der Spule vorzugsweise durch die Zungen des inneren Schalters hindurch, aber, wenn der Stab 6 in seine Ausnehmung eingeführt ist, bildet er einen magnetischen Nebenschluß, der einen Teil des Magnetflusses ablenkt: die resultierende mechanische Kraft, die auf die federnde Zunge des Schalters ausge-

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übt wird, wird dadurch im selben Maß verringert und der Schalter ist weniger empfindlich. Der Betriebsschwellenwert des inneren Schalters wird somit durch die Position des Stabes 6 in seiner Ausnehmung 7 festgelegt, wobei die minimale Empfindlichkeit dem vollständig in seine Ausnehmung eingeschobenen Stab entspricht. Der magnetische Nebenschluß wird nach genauer Positionierung festgemacht.

Bei dem äußeren Schalter schließt sich der Streumagnetfluß der Spule über eines der flußleitenden Teile, die Zungen des äußeren Schalters und das andere flußleitende Teil in sich selbst. Aber, wie oben erwähnt, hat wenigstens eines der beiden flußleitenden Teile vorteilhafterweise den in Fig. 3 dargestellten Aufbau, bei welchem ein Luftspalt zwischen den magnetischen Teilen 8 und 9 vorhanden ist, der durch den magnetischen Stab 11 mehr oder weniger überbrückt ist. Aufgrund dieser Tatsache sind die Teile 8 und 9, wenn der magnetische Stab 11 vollständig in seine Ausnehmung 12 eingeschoben ist, völlig in Nebenschluß gelegt und der Magnetfluß ist maximal, wobei der äußere Schalter 2 dann sein Empfindlichkeitsmaximum hat. Der Magnetfluß, der den äußeren Schalter durchquert, nimmt in Abhängigkeit von der Position des magnetischen Stabes 11 in seiner Ausnehmung ab, bis er durch einen Minimalwert geht, wenn der Stab 11 herausgezogen ist. Die Einstellung des Betriebsschwellenwertes des äußeren Schalters erfolgt deshalb durch Festlegen der entsprechenden Position des Stabes 11 in seiner Ausnehmung 12, wobei die maximale Empfindlichkeit des Schalters dieses Mal, umgekehrt wie in dem vorhergehenden Fall, erreicht wird, wenn der Stab vollständig in seine Ausnehmung eingeschoben ist.

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Es sei angemerkt, daß die Einstellung jedes Schalters den Arbeitspunkt des anderen nur sehr wenig beeinflußt, was die Durchführung der Einstellungen erleichtert.

In Abhängigkeit von einer bestimmten Wahl der beiden Schalter - der empfindlichste im Innenraum der Wicklung, der weniger empfindliche außen - liegen die Ströme, die durch die Wicklung fließen und bewirken, daß die Schalter betätigt werden, zwischen Verhältnissen in der Größenordnung von 3 bis 100 und mehr, unter Bewahrung der Möglichkeit des Einsteilens des Arbeitspunktes von jedem der beiden Schalter. Diese Zahlen sind mit denen von herkömmlichen Schwellenwertrelais zu vergleichen, deren entsprechende Verhältnisse, wie oben dargelegt, 5 bis 7 nicht überschreiten.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die gestattet, die erzielten großen Verhältnisse noch zu erhöhen.

Das Relais nach der Erfindung enthält, wie das in Fig. 1 dargestellte, zwei Schalter 1 und 2, von denen der eine innerhalb und der andere außerhalb der Spule 3 angeordnet ist, zwei den Magnetfluß leitende Teile 4 und 5 sowie den magnetischen Einstellstab 6, wie sie oben beschrieben sind. Es befindet sich jedoch ein magnetischer Nebenschluß 13 zwischen der Spule und dem äußeren Schalter. Dieser Nebenschluß ist mit den beiden Flußleitern 4 und 5 in mechanischer Berührung und mit der Spule 1 über eine Schicht 14 aus wärmebeständigem und gut wärmeleitendem Material in thermischer Berührung. Der magnetische Nebenschluß besteht darüberhinaus aus einem Material, dessen Curiepunkt und infolgedessen die magnetische Permeabilität sich mit der Temperatur plötzlich ändert: beispielsweise besteht er aus

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Ferriten, deren magnetische Permeabilität in dem Verhältnis von 100 zu 1 abnimmt, wenn die Temperatur ihren Curiepunkt um einige Bruchteile von Grad Celsius überschreitet. Der Curiepunlct des den Nebenschluß 13 bildenden Materials wird so gewählt, daß er der für die Spule gewählten Maximaltemperatur entspricht.

Das Relais arbeitet folgendermaßen: wenn der Strom, der durch die Spule fließt, zunimmt, erreicht er einen Schwellenwert, ab welchem er den inneren Schalter betätigt, für einen Wert, der dem Fall entspricht, in welchem der magnetische Kreis durch den Nebenschluß 13 völlig geschlossen ist. Die Erwärmung der Spule ist gering und steht im Verhältnis zu dem sie durchfließenden Strom. Die Erwärmung des Nebenschlusses 13 ist ebenfalls gering und der Nebenschluß ist magnetisch durchlässig. Der durch die Spule erzeugte Fluß schließt sich über den Nebenschluß und der äußere Schalter 2 ist nur einem Magnetfluß ausgesetzt, der sehr schwach oder vernachlässigbar ist.

Wenn der Strom, der durch die Spule fließt, weiter zunimmt, "erreicht er eine Stärke, die ausreichend groß ist, damit die sich daraus ergebende Erwärmung der Spule den Nebenschluß 13 auf seinen Curiepunkt bringt: die magnetische Permeabilität des Nebenschlusses wird dadurch in einem Intervall von einigen Zehntel Grad Celsius beträchtlich verringert. Der Magnetfluß außerhalb der Spule wird durch den Nebenschluß nicht mehr kanalisiert und geht zu einem viel größeren Teil über den äußeren Schalter 2: der äußere Schalter wird daher betätigt.

Im Verlauf der Abkühlung der Wicklung kühlt sich der wärme-

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empfindliche Nebenschluß 13, der mit der Spule durch einen Wärmeleiter verbunden ist, ebenfalls ab und gewinnt seine magnetischen Eigenschaften zurück.

Die Betriebsureise des Relais ist schematisch in den Fig. 5 und 6 dargestellt. In Fig. 5 schließt sich bei einem schwachen Strom der magnetische Kreis außerhalb der Spule gemäß der gestrichelten Linie über den Nebenschluß und der äußere Umschalter wird nicht betätigt. In Fig. 6 wird der Nebenschluß, der bei einem Strom, welcher ausreichend stark ist, um die Spule zu erwärmen, seinen Curiepunkt erreicht hat, magnetisch isolierend und der magnetische Kreis schließt sich außerhalb der Spule gemäß einer anderen gestrichelten Linie über den äußeren Schalter, der betätigt wird.

Das Relais nach der Erfindung bringt schließlich einen weiteren Vorteil mit sich, der die Ansprechzeit betrifft: in einem herkömmlichen elektromechanischen Relais ist die Empfindlichkeit mit den Abmessungen der Spule oder, genauer gesagt, mit der Ampe*rewindungszahl verknüpft. Je größer die Spule ist, um so größer ist ihre thermische Trägheit und um so größer ist die Ansprechzeit.

Dagegen ist bei dem Relais nach der Erfindung die Ansprechzeit des äußeren Schalters:

- von seiner Empfindlichkeit unabhängig, und

- mit der thermischen Trägheit des Relais und insbesondere mit der der Spule und des Nebenschlusses 13 verknüpft, die gering ist, was deshalb zu viel kleineren Ansprechzeiten führt.

In einer praktischen Ausführungsform des Relais nach der Er-

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findung, das mit einem Nebenschluß mit einem bei 80 ⁰C
liegenden Curiepunkt versehen war, betrug das Verhältnis zwischen den beiden Werten der Steuerströme, um ein Beispiel für eine typische Größenordnung anzugeben, 100.

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Claims (8)

1. Patentanwälte

   Dipl.-Ing. Dipl-Chem. Dipl.-Ing

   E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

   Ernsbergerstrasse 19

   8 München 60

   OPEGA Circuits et Commutation 27. Juni 1978

   50, rue Jean-Pierre-Timbaud 92402 Courbevoie / Frankreich

   Unser Zeichen: 0 367

   Patentansprüche :

   Elektrisches Relais mit mehreren Betriebsschwellenwerten, das einen Elektromagneten in Form einer Spule mit einem Innenraum sowie zwei Gruppen von Schutzrohrkontaktschaltern aufweist, wobei die Spule mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, die in ihrem Innenraum und in ihrem Außenraum einen Magnetfluß erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen von Schaltern (1, 2) in dem Magnetfluß verteilt sind, der in dem Innenraum (16) und in dem Außenraum (17) der Spule (3) herrscht.
2. 2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß der Spule an den Enden der Spule durch Polschuhe (4, 5) kanalisiert wird.
3. 3. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (4, 5) mit Vorrichtungen zum Verändern des außerhalb der Spule (3) herrschenden Flusses versehen sind.

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4. 4. Relais nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Verändern des Flusses aus einem magnetischen Nebenschluß (13) in Form eines Stabes bestehen, der die beiden Polschuhe (4, 5) miteinander verbindet und aus einem Material besteht, welches zwei verschiedene Werte der magnetischen Permeabilität in Abhängigkei t vor' der Temperatur aufweist, und der von dem Elektromagneten freigesetzten Wärmeenergie ausgesetzt ist.
5. 5- Relais nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Verändern des Flusses einerseits aus Polschuhen bestehen, die zwei magnetische Teile (8, 9) enthalten, welche durch ein unmagnetisches Teil (10) miteinander verbunden sind, und andererseits aus einem beweglichen magnetischen Stab (11 ), der die beiden magnetischen Teile (8, 9) der Polschuhe (5) einstellbar miteinander verbindet.
6. 6. Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (4, 5) magnetische Leiter und elektrische Isolatoren mit sehr hohem spezifischem Widerstand sind.
7. 7- Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzrohrkontaktschalter Umschalter sind.
8. 8. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfluß durch eine Anordnung von Spulen erzeugt wird.

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