Einrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise mit durch ein Magnetfeld hetätigtem Schaltelement. Die vorliegende Eifindung betrifft eine hiririclitutig zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise mit durch ein Magnetfeld betätig tem Schaltelement, beispielsweise für Relais der verschiedensten Art, Schütze, Niederspan- nungs- und I3oehspannungssehalter, Gleich und Weeliselrichter und Zerhaeker,
und zwar sowohl für empfindliche Relais als auch für Starkstromgeräte wie Hoehleistungsschalter, rross;Aeiehriehter. Man hat bisher für ganz spezielle Zwecke beispielsweise schon Relais gebaut, deren durch ein Magnetfeld betätig ter Anker eine Schaltzeit von etwa 10-3 sec aufweist;
doch lassen sich die dabei zur An- welidillig #g#elangenden Bauprinzipien keines wegs allgemein anwenden, etwa zum Bau von Starkstromschaltern. Im eigentlichen Schalter bau liegen die bisher erreichten Schaltzeiten ini Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen Hundertstelsekunden. Nun lässt sich aber zeigen - und dies ist eine der charak teristischen Erkenntnisse, die der vorliegen den Erfindung zugrunde liegen -,
dass selbst eine Schaltzeit von einer Millisekunde gegen über den heute üblichen Konstruktionen noch keine entscheidenden Vorteile brächte. Be trachtet man z. B. einen Wechselstrom der ge- bränchlichen Frequenz von 50 Hz, so beträgt der Momentanwert dieses Stromes eine Milli sekunde, das heisst 18 elektrisch, vor oder nach dem Stromnulldurchgang noch rund 44 % seines Effektivwertes oder etwa 31% seines Höchstwertes.
\Vürde in diesem Moment geschaltet - dies wäre ja notwendig, damit. bis zum Nulldurchgang der Sehaltwe g zurück gelegt ist -, so würde trotzdem noch eine sehr starke Beanspruchung der Kontakte zu stande kommen. Es sind ausserdem in Stark strom-, Gleich- oder Wechselstromanlagen Stromanstieggeschwindigkeiten bei Störungen in Form von Überlastungen und Kurzschlüs sen in der Grösse von 1 bis 10,. 106 A/sec keine Seltenheit. Dies würde aber bedeuten, dass in einer Millisekunde der Strom bis zu 10 000 A zunimmt, also meist um ein Vielfaches des Nennstromes.
Dies ist von grosser Bedeutung, wenn z. B. durch eine derartige Einrichtung Impedanzen so schnell eingeschaltet werden sollen, dass der Kurzschlussstrom mir noch einen kleinen Bruchteil seines sonstigen Wer tes erreicht. Umfangreiche Versuche haben ferner gezeigt, dass in Drehstromanlagen sieh in der Zeit von einer Millisekunde vor Strom nulldurchgang bis zum Nulldurchgang selbst zweipolige Lichtbogenkurzsehlüsse noch in einem erheblichen Prozentsatz in dreipolige verwandeln,
während in einem Zeitabstand von weniger als<B>3.</B> 10-4 sec ein Übergang von zwei- in dreiphasigen Kurzschluss praktisch nicht mehr auftritt. Dies aber ist eine wich tige Voraussetzung für die'Anwendung einer S@mchronsteuerung in Mehrphasenanlagen.
Bei Mehrphasen-Gleichrichtern beträgt er fahrungsgemäss die Kommutierungszeit, in elektrischen 'f@'inkelgraden ausgedrückt, etwa 15o, entsprechend 0,83 msec. Daraus erkennt man klar, dass erst Schaltzeiten, die wesent lich unter einer Millisekunde liegen, insbeson dere kleiner als 3. l0-4 sec sind, gestatten, die Abschaltung des Stromes einzuleiten, wenn der Strom bereits auf einen kleinen Bruch teil des Gleichstromwertes abgesunken ist. Bei mechanischen Gleichrichtern insbesondere wird man also Schaltzeiten anstreben, die noch; unter 10-4 sec legen.
Schliesslich sind speziell Relais für Synchronsteuerung und Einrich tungen zur Unterdrückung des Kurzschluss- stromes durch schnellstes Einschalten von Impedanzen nur sinnvoll bei Schaltzeiten in der Grössenordnung von 5 d 10-5 sec und weni ger. Zusammenfassend erkennt man also, dass die Schaltzeit von<B>3.</B> 10-4 sec tatsächlich eine scharfe Schranke darstellt, oberhalb der die heute üblichen Schalteinrichtungen liegen, und unterhalb der sich - wie oben gezeigt wurde - eine ganze Reihe neuartiger Schalteinrich tungen, die grosse technische und wirtschaft liche Vorteile bieten, verwirklichen lassen.
Untersucht man Einrichtungen mit magne- tisch betätigtem Schaltelement beliebiger Art, so findet man, was sich auch theoretisch er klären lässt, dass die Schaltzeit t sich mit praktisch genügender Genauigkeit ausdriicken lässt durch eine Grösse 2, die im folgenden Anordnungsgrösse genannt ist, und eine zweite Grösse D, die als Dimensionierungsgrösse be zeichnet ist. Es besteht. dann die Beziehung t = A . D.
Die Anordnungsgrösse A ist weit gehend unabhängig von den Abmessungen- des Schaltelementes, wird jeddeh in ihrem Wert stark beeinflusst durch die Massenverteilung, das Verhältnis der magnetischen zur elektrisch leitenden Masse, durch den Winkel zwischen resultierendem magnetischem Feld im Luft spalt und der Längsachse des Schaltelemen tes. Je geschickter die Anordnung getroffen wird, desto kleinere Werte nimmt die Anord nungsgrösse an. Von besonderer Bedeutung für die Erzielung kleiner Schaltzeiten ist die Dimensionierungsgrösse D, die durch nachste hende Beziehung gegeben ist:
EMI0002.0016
hierin bedeuten: 1 die mittlere Flussweglänge im Schaltelement in cm, x den Arbeitsluftspalt in ein.
Z ist, ein zeitlich und räumlich ge nommener Mittelwert der magnetischen In- ; duktion im Luftspalt. Es ist dabei vorausge setzt, da.ss Querschnitt und Polfläche des Schaltelementes höchstens um -- \0 % voneIn- ander abweichen, so dass die magnetiselie In duktion im Schaltelement und im Luftspalt ; ungefähr gleich gross sind.
Die Einrichtung nach der Erfindun- zeich net sieh nun dadurch aus, dass zur Erzielung von Schaltzeiten von weniger als<B>'.</B> 10-4 sec die Dimensionierungsgrösse D kleiner ist als, 1,5.10-5 cm/Gauss, wobei, wie vorausgesetzt, Querschnitt und Polfläche des Schaltelemen- tes höchstens um \?0 % voneinander abwei- chen. Je nach den gegebenen Verhältnissen kann dies also durch entsprechende Wahl von Länge,
Arbeitsluftspalt und magnetischer In duktion ei-folgen, wobei zu beachten ist, dass durch die Höhe der magnetischen Induktion, das heisst die gewählte Sättigung, der Quer schnitt des magnetisierbaren Teils des Schalt elementes in einem bestimmten Ausmass fest elegt ist. Für noch kleinere Schaltzeiten von z. B. 10-4 sec und weniger wird man mit Vor teil das Schaltelement so ausbilden, dass seine Dimensionierungsgrösse D kleiner als 0,5.10--5 cm/Gauss ist.
Bei vielen Anwendungen erweist es sich als zweckmässig, wenn die mittlere Flussweglänge im Sehaltelernent höchstens gleich 1 cm ist. Bei andern Ausführungen ist. es vorteilhaft, einen Arbeitsluftspalt von höchstens 0,01 cm vorzusehen. Will man ver meiden, dass ein Prellen der Kontakte auftritt, so wird man den Schaltweg zweelzmässiger- weise unter denjenigen Grenzwert legen, bei dem bei der vorhandenen Körperdämpfung der verwendeten Werkstoffe noch ein Prellen auftritt.
Schliesslich wird man mit Vorteil der mittleren Induktion B im Schaltelement bzw. im Arbeitsluftspalt einen Wert von min destens 10 000 Gauss geben. Beispielsweise er hält man für 1 = 1 ein, x = 0,01 ein lind r = 10 000 Gauss eine Dimensionierungsgrösse D = 10-5 cm/Gauss.
Wie bereits erwähnt, spielt für die Schalt zeit<I>t</I> neben der Dimensionierungsgrösse <I>D</I> noch die Anordnungsgrösse A eine Rolle. Im nierhin läl >t sich diese Grösse A nicht in einem so weiten Bereich verändern wie die Dimen- sionierungsgrösse D. Von Einfluss ist insbeson dere die Art der Lagerung des Schaltelemen tes.
Es zeigt sich, da-ss bei sonst gleichen Ab messungen bei rein translatoriseher Bewegung des Sehalteleinentes die Anordnungsgrösse am gröl: ten wird, da hierbei die gesamte Masse des Schaltelementes beschleunigt werden muss. Man wird daher für kurze Schaltzeiten eine solche Lagerung des Schaltelementes vorsehen, die Drehbewegungen. des Schaltelementes er gibt, insbesondere Drehbewegungen um die Schwerachse oder eine Achse, die der Schwer achse unmittelbar benachbart ist.
Bei extrem kleinen Abmessungen des Schaltelementes kommt aus konstruktiven Gründen allerdings nur noch eine praktisch translatorische Bewe gung in Frage, da die Anordnung einer Drehachse unter Umständen nicht mehr mög lich ist. Es sind in manchen Fällen Einrich tungen besonders zweckmässig, die für die Be tätigung des Schaltelementes möglichst wenig Amperewindungen benötigen.
Das erreicht man mit Vorteil mit einem Schaltelement, das sich annähernd um sein eines Ende dreht, wobei der Luftspalt an diesem Ende höch stens ein Zehntel. des Arbeitsluftspaltes be trägt. Um eine sichere Kontaktberührung an beiden Enden des Schaltelementes zu gewähr leisten, wird man ferner mit Vorteil eine solche Lagerung wählen, dass für die Bewe gung des Schaltelementes mindestens zwei, im allgemeinen jedoch drei Freiheitsgrade zur Verfügung stehen. Es ist weiter zweckmässig, die gesamte bewegte Masse des Schaltelemen tes möglichst klein zit halten.
Eine diesbezüg lich vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn das Schaltelement aus einem magnetisierbaren Anker besteht, der zugleich als Strombrücke ausgebildet ist und in der Nähe seiner Enden die bewegten Schaltstücke trägt. Falls es nötig ist, zur Verbesserung der elektrischen Leit fähigkeit in der Durchgangsrichtung des Stro mes noch zusätzliche gutleitende Massen, z. B. aus Kupfer oder Silber, anzuordnen, so wird man mit Vorteil darauf achten, dass diese las- sen höchstens ein Drittel der aus magnetischen Gründen notwendigen Masse betragen. Die Kontakte werden zweckmässigerweise so leicht ausgeführt, dass ihre Masse höchstens ein Zehntel der aus magnetischen Gründen erfor derlichen Masse ist.
Im Grenzfall kann dem inagnetisierbaren Material des Ankers prak tisch die gesamte Stromleitung übertragen werden, und es sind an den Kontaktflächen nur dünne überzüge oder Plattierungen vor zusehen, so dass also die Zusatzmassen für Stromleitung und Kontaktausbildung prak tisch vernachlässigbar sind.
Um eine möglichst günsti-e Ausnützung der magnetischen Zug kraft zu erreichen, wird man das Schaltele ment in bezug auf die feststehenden magne tischen Gegenpole so anordnen, dass der Win kel zwischen magnetischer Zugkraft und Längsachse des Schaltelementes grösser als 70 ist, da. heisst die Zugkraft möglichst senk recht zur Längserstreckung des Schaltelemen tes steht. Bei Verwendung von Schaltelemen ten, die sich um ihre Schwerachse drehen und die neben der aus magnetischen Gründen er forderlichen Masse möglichst geringe Zusatz massen aufweisen, lassen sich Anordnungs grössen A von 12 Gauss. sec/em erreichen..
Falls zugleich die Dimensionierungsgrösse den Wert von etwa 0g:.10-5 cm/Gauss hat, lassen sich mit einem solchen Schaltelement Schalt zeiten in der Grössenordnung von<B>5.</B> 10-5 sec erreichen. Wie bereits eingangs ausgeführt wurde, kann die Einrichtung auch für Stark stromsehaltgeräte verwendet werden. Hierfür ist es von Bedeutung, dass der elektrische Längswiderstand des Schaltelementes höch stens gleich dem gesamten Kontaktwiderstand bei grösstem Anpressdruck der Schaltkontakte ist.
Unter Kontaktwiderstand ist nach Holm (Technische Physik der elektrischen Kontakte) der Engewiderstand plus allfälliger Fremd- sehichtwiderstand zu verstehen.
Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, dass das Schaltelement durch eine Rückzugs kraft wieder in seine Ursprungsstellung zu rückgeht, sobald das Magnetfeld verschwindet. Es gibt Ausführungen, bei denen die Rück Stellung relativ langsam erfolgen kann, bei andern, zum Beispiel bei Gleich- und Wechselrichtern, ist es jedoch wichtig, dass auch die Rückstellung möglichst schnell er folgt. Man wird dann die Einrichtung zweek- mässigerweise so ausbilden, dass die Rückstell- kraft zwar kleiner, jedoch etwa von gleicher Grössenordnung wie die magnetische Antriebs kraft ist, mindestens jedoch 20 % der magne tischen Antriebskraft beträgt.
Für sehr viele Fälle ist es zweckmässig, eine Rückzugskraft elastischer Art vorzusehen, wobei jedoch für kleine Schaltzeiten die Anordnung mit Vorteil so zu treffen ist, dass die zusätzlich bewegte elastische Masse höchstens mit einem Fünftel der aus magnetischen Gründen erforderlichen Masse des Schaltelementes zur Wirkung kommt. Selbstverständlich können jedoch auch Rückzugskräfte anderer Art, z. B. magnetische Kräfte, die Schwerkraft oder Zentrifugal kräfte zur Anwendung gelangen.
In den Fig. 1 und 2 ist eine beispielsweise Ausführungsform einer Einrichtung mit einem Schaltelement gemäss der Erfindung dargestellt, wobei alle zur Erläuterung der Erfindung nicht notwendigen Teile wegge lassen sind. Fig.1 zeigt im wesentlichen eine beispielsweise Anordnung und Ausführung des Schaltelementes, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Schaltelementes nach Fig.1. Es bedeuten in diesen beiden Figuren:
1 das Schaltelement, das sich um die Achse 2 dreht, welche beispielsweise als dünne Tor sionsfeder ausgebildet ist und eine so geringe Biegefestigkeit aufweist, dass die Bewegung des Schaltelementes neben der Drehung auch noch tr anslatoriseh mindestens in einer, meist aber in zwei Richtungen erfolgen kann, das heisst die Bewegung erfolgt mit mindestens zwei Freiheitsgraden; 3 sind die beweglichen Kontaktstücke, welche über eine gutleitende Lamelle 4 miteinander verbunden sind.
Die übrigen Lamellen 5 des Schaltelementes 1 be stehen aus einem gutmagnetisierbaren Mate rial, insbesondere Eisen, und werden zur Stromleitung mit herangezogen; 6 sind festste hende Anschläge, die erforderlichenfalls auch als Ruhestromkontakte ausgeführt sein kön- neu; 7 sind die feststellenden Kontakte and 8 die Magnetpole des beispielsweise elektro magnetisch erzeugten Magnetfeldes. Um mög lichst kleine Schaltzeiten zu erreichen, be trägt die zusätzliche Masse der beweglichen Kontakte 3 und der -utleitenden Lamelle 4 nur einen geringen Bruchteil der Masse der Lamellen 5.
Ferner ist der Winkel zwischen der magnetischen Achse des Schaltelementes und der Richtung des matgnetisehen Feldes im Arbeitsluftspalt grösser 4als 70 .
Die von den Abmessungen unabhängige Anordnen gs- grösse 11 beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 10 Gauss. seclem. Aus der Beziehun- für die Dimensionierungsgrösse D ergibt sich, dass das Produkt aus der mittleren Flussweglänge 7 im Schaltelement 1 und dem Luftspalt x rnög- lich,#t klein sein soll.
Diese Forderungen las sen sieh mit einem Schaltelement nach den Fig. 1 und \' verwirklichen. Bei einer mitt leren Flussweglänge l im Schaltelement voll 1 cm, einem Arbeitsluftspalt x von 0,01 en und einer mittleren Induktion l3 von 10 000 Gauss ergibt sieh mit der Anordnung nach den. Fig.1 und 2 eine Schaltzeit von ungefähr 10-4 sec.
Die Wirkungsweise der Einriehtunx ist folgende: Wird das Feld erregt, wobei iiii allgemeinen darauf zu achten ist, dass die Zeit konstante des Steuerstromkreises kleiner ist als die angestrebte Schaltzeit, so beginnt. sieh das Schaltelement. 1 im Gegenuhrzeigersinn m drehen. Meist wird einer der beiden beweg lichen Kontakte 3 zuerst zur Berührung mit dem Gegenkontakt 7 gelangen.
Infolge der geringen Biegesteifigkeit der Torsionsfeder, oder allgemeiner ausgedrilekt, da das beweg liche System mindestens zwei Freiheitsgrade hat, kommt aber unmittelbar darauf auch der zweite Kontakt zur Berührung. Damit ist der Arbeitsluftspalt x beidseitig vollständig durch laufen und der Stromkreis geschlossen. Soll dagegen eine Unterbrechung, eines Stromkrei ses hervorgerufen werden, so werden die An schläge 6 als feststehende Kontakte ausgeführt.
Sowie das Magnetfeld erregt wird, beginnt der Unterbrechungsvorgang. Eine Unterbrechung kann aber auch durch die Federkraft erfolgen, wenn die Kontakte i mit Strom gespeist sind. Die Abschaltung erfolgt dann, wenn das lIa- gtietfeld verschwindet.
Werden die Verhält nisse so gewählt, dass eine liehtbogenfreie Un terbrechung zustande kommt, so kann die Ab schaltung schon beendet sein, längst bevor der gesamte Arbeitsluftspalt x durchlaufen ist, das heisst es können dann Unterbrechungs zeiten erreicht werden, die noch unter 10-5 sec liegen.
Einrichtungen mit Schaltelementen nach der Erfindung können in mannigfacher Form Anwendung finden, so bei Relais aller Art, Sehlitzen, Reglern, Schaltern für Nieder- und IIochspanninmg, Gleichrichtern, Wechselrich tern, Zerhackern und dergleichen mehr.