CH268296A - Device for influencing electrical circuits with a switching element actuated by a magnetic field. - Google Patents

Device for influencing electrical circuits with a switching element actuated by a magnetic field.

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CH268296A
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CH
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switching element
air gap
magnetic
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German (de)
Inventor
Aktiengesellschaft F Geraetbau
Original Assignee
Fkg Fritz Kesselring Geraetbau
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/20Contact mechanisms of dynamic converters
    • H02M1/26Contact mechanisms of dynamic converters incorporating cam-operated contacts

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnets (AREA)

Description

  

  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.



  Device for influencing electrical circuits with a switching element activated by a magnetic field. The present invention relates to a hierarchical for influencing electrical circuits with switching element actuated by a magnetic field, for example for relays of the most varied types, contactors, low-voltage and high-voltage switches, rectifiers and rectifiers,

      both for sensitive relays and for high-voltage devices such as high-performance switches, rross; Aeiehriehter. So far, relays have been built for very special purposes, for example, whose armature actuated by a magnetic field has a switching time of about 10-3 seconds;

   however, the construction principles that apply to Anwelidillig cannot be applied in general, for example for the construction of high-voltage switches. In the actual switch construction, the switching times achieved so far range from a few milliseconds to a few hundredths of a second. Now it can be shown - and this is one of the characteristic findings on which the present invention is based - that

   that even a switching time of one millisecond would not bring any decisive advantages over today's conventional designs. Be looking for z. B. an alternating current of the common frequency of 50 Hz, the instantaneous value of this current is one millisecond, that is 18 electrical, before or after the current zero crossing still around 44% of its effective value or about 31% of its maximum value.

       \ Vürde switched at this moment - this would be necessary for that. until the Sehaltwe g is covered by the zero crossing - the contacts would still be subject to very high stress. In addition, in high-voltage, direct-current or alternating-current systems, there are rates of increase in current in the event of faults in the form of overloads and short-circuits in the size of 1 to 10. 106 A / sec not uncommon. This would mean, however, that the current increases by up to 10,000 A in one millisecond, which is usually a multiple of the rated current.

   This is of great importance when z. B. by such a device impedances are to be switched on so quickly that the short-circuit current reaches me a small fraction of its other who tes. Extensive tests have also shown that in three-phase systems, in the time from one millisecond before current zero crossing to zero crossing, even two-pole arc short-circuits still transform a considerable percentage into three-pole ones,

   while in a time interval of less than <B> 3. </B> 10-4 seconds a transition from two to three-phase short circuit practically no longer occurs. But this is an important prerequisite for the use of a synchronous control in multi-phase systems.



  In the case of multiphase rectifiers, experience shows that the commutation time, expressed in electrical "f @" degrees, is around 15o, corresponding to 0.83 msec. This clearly shows that switching times that are significantly less than a millisecond, in particular less than 3.10-4 seconds, allow the current to be switched off when the current has already dropped to a small fraction of the direct current value . In the case of mechanical rectifiers, in particular, switching times will be sought that are still; place under 10-4 sec.

   Finally, special relays for synchronous control and devices for suppressing the short-circuit current by switching on impedances as quickly as possible only make sense with switching times of the order of magnitude of 5 to 10-5 seconds and less. In summary, one can see that the switching time of <B> 3. </B> 10-4 sec actually represents a sharp limit, above which the switching devices customary today are, and below which - as shown above - a whole series of new types are located Switching devices that offer great technical and economic advantages can be implemented.



  If one examines devices with magnetically actuated switching elements of any kind, one finds, which can also be explained theoretically, that the switching time t can be expressed with practically sufficient accuracy by a quantity 2, which is referred to below as an arrangement quantity, and a second Size D, which is referred to as the dimensioning size. It exists. then the relation t = A. D.

   The arrangement size A is largely independent of the dimensions of the switching element, its value is strongly influenced by the mass distribution, the ratio of the magnetic to the electrically conductive mass, by the angle between the resulting magnetic field in the air gap and the longitudinal axis of the switching element . The more skillfully the arrangement is made, the smaller the values the size of the arrangement assumes. The dimensioning quantity D, which is given by the following relationship, is of particular importance for achieving short switching times:
EMI0002.0016
    here mean: 1 the mean flux path length in the switching element in cm, x the working air gap in.

   Z is a temporally and spatially ge taken mean of the magnetic In-; production in the air gap. It is a prerequisite that the cross-section and pole surface of the switching element differ from each other by no more than - \ 0%, so that the magnetiselie induction in the switching element and in the air gap; are roughly the same size.



  The device according to the invention now looks like that, in order to achieve switching times of less than <B> '. </B> 10-4 sec, the dimensioning variable D is less than 1.5.10-5 cm / Gauss, where, as assumed, the cross-section and pole surface of the switching element differ from each other by a maximum of \? 0%. Depending on the given conditions, this can be done by choosing the appropriate length,

       Working air gap and magnetic induction ei-follow, whereby it should be noted that the cross-section of the magnetizable part of the switching element is fixed to a certain extent by the level of magnetic induction, i.e. the selected saturation. For even shorter switching times of e.g. B. 10-4 sec and less you will train the switching element so that its dimensioning size D is less than 0.5.10-5 cm / Gauss.

   In many applications it proves to be expedient if the mean flow path length in the Sehaltelernent is at most equal to 1 cm. In other versions,. it is advantageous to provide a working air gap of at most 0.01 cm. If you want to prevent the contacts from bouncing, the switching path will doubtlessly be set below the limit value at which bouncing still occurs with the existing body damping of the materials used.

   Finally, the average induction B in the switching element or in the working air gap will be given a value of at least 10,000 Gauss. For example, for 1 = 1, x = 0.01, and r = 10,000 Gauss, a dimension of D = 10-5 cm / Gauss.



  As already mentioned, in addition to the dimensioning variable <I> D </I>, the arrangement size A also plays a role for the switching time <I> t </I>. In any case, this variable A cannot be changed in such a wide range as the dimensioning variable D. The type of mounting of the switching element is of particular influence.

   It turns out that, with otherwise the same dimensions, with purely translatory movement of the holding element, the size of the arrangement becomes the largest, since the entire mass of the switching element must be accelerated in this case. One will therefore provide such a storage of the switching element for short switching times, the rotary movements. of the switching element he gives, in particular rotational movements about the center of gravity or an axis that is immediately adjacent to the axis of gravity.

   In the case of extremely small dimensions of the switching element, however, for structural reasons, only a practically translational movement is possible, since the arrangement of a rotation axis may no longer be possible, please include. In some cases, devices that require as few ampere turns as possible to operate the switching element are particularly useful.

   This is achieved with advantage with a switching element that rotates approximately around its one end, the air gap at this end hoch least a tenth. of the working air gap. In order to ensure reliable contact at both ends of the switching element, it is also advantageous to choose such a storage that at least two, but generally three degrees of freedom are available for the movement of the switching element. It is also useful to keep the entire moving mass of the Schaltelemen tes as small as possible.

   An advantageous arrangement in this respect Lich results when the switching element consists of a magnetizable armature, which is also designed as a current bridge and carries the moving contact pieces near its ends. If it is necessary to improve the electrical conductivity in the direction of passage of the Stro mes still additional highly conductive mass, z. B. made of copper or silver, it will be advantageous to ensure that these are at most a third of the mass required for magnetic reasons. The contacts are expediently made so light that their mass is at most a tenth of the mass required for magnetic reasons.

   In the borderline case, the inagnetisable material of the armature can practically table the entire power line transferred, and only thin coatings or plating are to be seen on the contact surfaces, so that the additional masses for power line and contact formation are practically negligible.

   In order to achieve the most favorable utilization of the magnetic tensile force, the switching element will be arranged in relation to the fixed magnetic counterpoles so that the angle between the magnetic tensile force and the longitudinal axis of the switching element is greater than 70, there. means the tensile force is as perpendicular as possible to the longitudinal extension of the Schaltelemen tes. When using Schaltelemen th that rotate around their center of gravity and which, in addition to the mass required for magnetic reasons, have the lowest possible additional masses, arrangement sizes A of 12 Gauss can be achieved. reach sec / em ..

    If at the same time the dimensioning value has the value of about 0g: .10-5 cm / Gauss, switching times of the order of magnitude of <B> 5 </B> 10-5 seconds can be achieved with such a switching element. As already stated at the outset, the device can also be used for high-voltage devices. For this it is important that the electrical series resistance of the switching element is at most equal to the total contact resistance at the greatest contact pressure of the switching contacts.

   According to Holm (Technical Physics of Electrical Contacts), contact resistance is understood to be the narrow resistance plus any external resistance.



  In many applications it is necessary for the switching element to return to its original position by a retraction force as soon as the magnetic field disappears. There are versions in which the reset can take place relatively slowly, but in others, for example with rectifiers and inverters, it is important that the reset also takes place as quickly as possible. The device will then be designed in such a way that the restoring force is smaller, but of approximately the same order of magnitude as the magnetic drive force, but at least 20% of the magnetic drive force.

   In many cases it is advisable to provide a retraction force of an elastic type, but for short switching times it is advantageous to arrange the arrangement so that the additionally moved elastic mass is at most a fifth of the mass of the switching element required for magnetic reasons. Of course, however, other types of retraction forces, e.g. B. magnetic forces, gravity or centrifugal forces are used.



  1 and 2, an example embodiment of a device with a switching element according to the invention is shown, wherein all parts not necessary to explain the invention are omitted. FIG. 1 essentially shows an example of an arrangement and design of the switching element, FIG. 2 shows a plan view of the end face of the switching element according to FIG. It means in these two figures:

    1 the switching element that rotates around the axis 2, which is designed, for example, as a thin gate sion spring and has such a low flexural strength that the movement of the switching element can be carried out in at least one, but mostly in two directions, in addition to rotation , that means the movement takes place with at least two degrees of freedom; 3 are the movable contact pieces, which are connected to one another via a highly conductive lamella 4.

   The remaining lamellae 5 of the switching element 1 be made of a well magnetizable Mate rial, in particular iron, and are used to conduct electricity with; 6 are fixed stops which, if necessary, can also be designed as closed-circuit contacts; 7 are the locking contacts and 8 are the magnetic poles of the, for example, electro-magnetically generated magnetic field. In order to achieve the shortest possible switching times, the additional mass of the movable contacts 3 and the -utleitenden lamella 4 be only a small fraction of the mass of the lamellae 5.

   Furthermore, the angle between the magnetic axis of the switching element and the direction of the magnetic field in the working air gap is greater than 4 than 70.

   The arrangement size 11, which is independent of the dimensions, is approximately 10 Gauss in this embodiment. seclem. From the relationship for the dimensioning variable D it follows that the product of the mean flow path length 7 in the switching element 1 and the air gap x r possible, # t should be small.

   These requirements can be realized with a switching element according to FIGS. 1 and \ '. With a middle flow path length l in the switching element fully 1 cm, a working air gap x of 0.01 s and an average induction l3 of 10,000 Gauss, see with the arrangement according to the. 1 and 2 a switching time of approximately 10-4 seconds.

   The mode of operation of the Einriehtunx is as follows: If the field is excited, whereby it must generally be ensured that the time constant of the control circuit is less than the desired switching time, then begins. see the switching element. 1 turn m counterclockwise. Usually one of the two movable union contacts 3 will come into contact with the mating contact 7 first.

   As a result of the low flexural strength of the torsion spring, or more generally, because the movable system has at least two degrees of freedom, the second contact comes into contact immediately afterwards. This means that the working air gap x runs completely through on both sides and the circuit is closed. If, on the other hand, an interruption of a circuit is to be caused, the stops 6 are designed as fixed contacts.

    As soon as the magnetic field is excited, the interruption process begins. An interruption can also take place through the spring force if the contacts i are supplied with current. The switch-off takes place when the position field disappears.

   If the ratios are chosen in such a way that there is an interruption free of loan arcs, the shutdown can be completed long before the entire working air gap x has been passed, i.e. interruption times of less than 10-5 seconds can then be achieved lie.



  Devices with switching elements according to the invention can be used in a variety of forms, so in relays of all kinds, seat wires, regulators, switches for low and IIochspanninmg, rectifiers, inverters, chopper and the like.

 

Claims (1)

<B>PATENTANSPRUCH:</B> Einrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stromkreise mit durch ein Magnetfeld betä tigtem Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, (lal) zur Erreiehun- einer Schaltzeit von weni- Ier als 3 .10-4 sec das Verhältnis aus der Wm-zel des Produktes von mittlerer Flussweg- liinge <I>(l)</I> im Schaltelement (1) und Länge<I>(x) <B> PATENT CLAIM: </B> Device for influencing electrical circuits with a switching element actuated by a magnetic field, characterized in that (lal) to achieve a switching time of less than 3 .10-4 sec the ratio of the Wm- zel of the product of mean flux path length <I> (l) </I> in the switching element (1) and length <I> (x) </I> des Arbeitsluftspaltes zum zeitlich und räum lieh #l,eiiommeiien Mittelwert der magnetischen Induktion (L) im Arbeitsluftspalt kleiner als <B>1,5.</B> 10-5 em/Gauss ist, wobei Querschnitt und Polfläche des Schaltelementes höchstens um ?0 % voneinander abweichen. UN TER AN SPR<B>Ü</B>CHE 1. </I> of the working air gap in relation to the temporal and spatial borrowed # l, one mean value of the magnetic induction (L) in the working air gap is less than <B> 1.5. </B> 10-5 em / Gauss, where the cross-section and pole area of the Switching element differ from each other by a maximum of? 0%. CONTACT SPR <B> Ü </B> CHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus der \V urzel des Produktes von mittlerer Fluss- weglänge (l) im Schaltelement (1) und Länge (x) des Arbeitsluftspaltes ztim -Mittelwert der magnetischen Induktion (B) im Luftspalt kleiner als 0,5 .10-5 ist. Device according to claim, characterized in that the ratio of the root of the product of the mean flux path length (l) in the switching element (1) and the length (x) of the working air gap ztim - mean value of the magnetic induction (B) in the air gap is smaller than 0.5 .10-5. ?. Einrichtung nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die mittlere Fluss- weglänge (7) im Schaltelement (1) höchstens 1 ein ist. 3. Einrichtung nach Unteranspruch 1, da- kn gekennzeichnet,, dass die Länge (x) des Arbeitsluftspaltes höchstens 0,01 cm ist. 1. ?. Device according to dependent claim 1, characterized in that the mean flux path length (7) in the switching element (1) is at most 1 a. 3. Device according to dependent claim 1, characterized in that the length (x) of the working air gap is at most 0.01 cm. 1. Einrichtung nach Patentanspruch, ge- kennzeichnet durch eine derartige Lagerung des Schaltelementes, dass es sich bei seiner Be tätigung mindestens annähernd um sein eines Ende dreht, wobei die Länge des Luftspaltes an diesem Ende höchstens ein Zehntel der Länge (x) des Arbeitsluftspaltes beträgt. 5. Einrichtung nach Patentanspruch, ge kennzeichnet durch eine derartige Lagerung des Schaltelementes, dass für die Bewegung des Schaltelementes mindestens zwei Freiheits grade zur Verfügung stehen. Device according to patent claim, characterized by such a mounting of the switching element that when it is actuated it rotates at least approximately around its one end, the length of the air gap at this end being at most a tenth of the length (x) of the working air gap. 5. Device according to claim, characterized by such a storage of the switching element that at least two degrees of freedom are available for the movement of the switching element. 6. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet., dass das Schaltelement als magnetisierbarer Anker ausgebildet ist, der zugleich als Strombrücke dient und zu diesem Zwecke in der Nähe seiner Enden bewegliche Kontaktstücke trägt. 7. Einrichtung nach Unteranspruch 6, da durch gekennzeichnet, dass am Anker Mittel zur Verbindung der genannten Kontaktstücke vorgesehen sind und die Masse dieser V erbin- dungsmitt.el höchstens ein Drittel der aus magnetischen Gründen notwendigen Masse be- trä(Yt. B. 6. Device according to patent claim, characterized in that the switching element is designed as a magnetizable armature which also serves as a current bridge and for this purpose carries movable contact pieces near its ends. 7. Device according to dependent claim 6, characterized in that means for connecting the said contact pieces are provided on the armature and the mass of these connecting means is at most a third of the mass necessary for magnetic reasons (Yt. B. Einrichtung nach Unteranspruch 6, da durch gekennzeichnet, dass die Masse der be weglichen Kontalz-tstücke höchstens ein Zehn tel der aus magnetischen Gründen erforder lichen Masse beträgt. 9. Einrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Winkel zwi schen der resultierenden, die Zugkraft bewir kenden magnetischen Induktion im Luftspalt und der Längsachse des Schaltelementes 0,röl.er als 70 ist. 10. Device according to dependent claim 6, characterized in that the mass of the movable contact pieces is at most one tenth of the mass required for magnetic reasons. 9. Device according to claim, characterized in that the angle between the resulting, the tensile force causing magnetic induction in the air gap and the longitudinal axis of the switching element is 0, röl.er than 70. 10. Einrichtung nach Patentanspruch, ins besondere für Starkstromzwecke, dadurch ge kennzeichnet, dass der elektrische Längswider stand des Schaltelementes höchstens gleich dem gesamten Kontaktwiderstand bei grösstem Anpressdruck ist. 11. Device according to patent claim, in particular for high voltage purposes, characterized in that the electrical series resistance of the switching element is at most equal to the total contact resistance at the greatest contact pressure. 11. Einrichtung nach Patentanspruch, bei der auf das Schaltelement ausser der magne tischen Antriebskraft eine Rückzugskraft wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rück- zugskraft im Arbeitszustand des Sehaltele- Inentes mindestens 20 % der mittleren jnägne- tischen Antriebskraft beträgt. 12. Device according to patent claim, in which a retraction force acts on the switching element in addition to the magnetic drive force, characterized in that the retraction force in the working state of the holding element is at least 20% of the mean magnetic drive force. 12. Einrichtung nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückzugs kraft elastischer Art ist, wobei die für die Rüeli:zugskraft erforderliche bewegte, zusätz liche elastische Masse höchstens mit einem Fünftel der aus magnetischen Gründen erfor derlichen Masse zur Wirkung kommt. Device according to dependent claim 11, characterized in that the retraction force is of an elastic type, the moving additional elastic mass required for the Rüeli: tensile force coming into effect with a maximum of one fifth of the mass required for magnetic reasons.
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