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Haltemagnetauslöser hoher Empfindlichkeit mit Permanentmagnet und
schichtenförmig aufgebautem Jochkörper Beim Bau von hochempfindlichen Fehlerstromschutzschaltern,
aber auch bei vielen anderen Aufgabenstellungen in der Elektrotechnik, ist es von
ausschlaggebender Bedeutung, Auslöser einzusetzen, die eine möglichst hohe Ansprechempfindlichkeit
besitzen.
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Die normalen Auslöserbauformen, die mit Anzugsmagneten arbeiten, sind
zu unempfindlich und benötigen zur Betätigung eine für viele Anwendungszwecke zu
hohe Auslöseleistung bzw. Auslöseenergie. Eine Erhöhung der Anspre#hempfindlichkeit
kann durch die bekannten polarisierten Auslöser erreicht werden, bei denen der Anker
in seiner Ruhelage durch den Magnetfluß einer Haltewicklung oder eines permanenten
Magnets gehalten-wird.
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Grundsätzlich kann dann hinsichtlich der Auslösung zwischen zwei Wirkungsweisen
unterschieden werden. Entweder wird durch einen zusätzlichen Erregerkreis der Haltefluß
im Anker durch Superposition des Erregerflusses subtraktiv geschwächt und dadurch
das Abfallen des Ankers bewirkt, oder es wird durch den Erregerfluß im Verlauf des
den Haltefluß führenden magnetischen Kreises durch Sättigungserscheinungen der magnetische
Widerstand vergrößert und dadurch die Schwächung des Halteflusses im Anker erzielt.
Eine entsprechend gestaltete Feder löst dann den Anker von den Polstücken, und durch
die in der Feder gespeicherte mechanische Energie wird in der Folge der Aus-lösevorgang
durchgeführt.
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Für den im nachfolgenden beschriebenen Auslöser mit mindestens dreiteiligem
Jochkörper ist nur der Stand der Technik wesentlich,- der die Auslöser umfaßt, die
für die Erzeugung des Halteflusses permanente Magnete benutzen, da Wicklungen für
die Erzeugung des Halteflusses wegen des dauernden Energieverbrauches ausscheiden.
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Die Gruppe von polarisierten Auslösern, die für die Schwächung des
permanenten Halteflusses einen Erregerkreis benutzt, dessen Magnetfluß durch Superposition
den Permanentfluß direkt schwächt, ist am bekanntesten. Für den Rückschluß des durch
die Erregerwicklung erzeugten, zusätzlichen Magnetflusses ist der Werkstoff des
permanenten Magnets wegen seines hohen magnetischen Widerstandes ungeeignet. Deshalb
besitzen alle derartigen Auslöser einen magnetischen Nebenschluß, der so ausgebildet
sein muß, daß sein magnetischer Widerstand einerseits für den Fluß der zusätzlichen
Erregung möglichst klein, andererseits aber doch wieder so hoch ist, daß noch ein
genügend großer Teil des permanenten Magnetflusses über den Anker fließt und ihn
in seiner Lage gegen die Federkraft halten kann. Diese einander widersprechenden
Forderungen führen zwangläufig zu einer Kompromißlösung. Ebenso zwangläufig fließt
der Fluß der zusätzlichen Erregung bei diesen Auslösern über den Ankerluftspalt
und hat hier, selbst bei Feinstschliffen, einen beträchtlichen magnetischen Widerstand
zu überwinden. Dadurch wird aber der' Auslöseempfindlichkeit schon rein herstellungsmäßig
eine Grenze gesetzt. Hinsichtlich des Nebenschlusses arbeiten manche dieser Konstruktionen
luftspaltlos, müssen dann aber zur Erzielung einer ausreichenden magnetomotorischen
Kraft für den Permanentfluß im Ankerkreis im magnetischen Nebenschluß nahe der Sättigungsinduktion
bleiben. Für den zusätzlichen Erregerfluß, der sich ja ebenfalls über den Nebenschluß
schließt, wird dann dort, infolge der Krümmung der Magnetisierungskennlinie, die
magnetische Feldstärke hoch und dadurch der anteilmäßige Amperewindungsverbrauch
beträchtlich.
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Bei einem anderen Auslöser (deutsche Auslegeschrift 1126 995)
besitzt der Nebenschluß bei großer Fläche einen kleinen Luftspalt, ohne jedoch darüber
hinwegzukommen, daß bei einem magnetischen Nebenschluß, der sowohl vom permanenten
als auch vom Erregungsfluß durchsetzt wird, zwangläufig die oben angeführten, einander
widersprechenden Forderungen zu einer nur unbefriedigenden und nicht optimalen Lösung
führen können. Ein weiterer Nachteil
dieser Bauform liegt darin,
daß die Schwächung des Permanentflusses abhängig von der Richtung des Erregerstromes
ist. Dies führt dazu, daß unter Umständen bei Wechselstromerregung die Abhebung
des Ankers erst bei der zweiten Halbwelle nach Einsetzen des Erregerstromes eintritt.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile versucht nun die schon erwähnte zweite
Gruppe der polarisierten Auslöser die Schwächung des Halteflusses zu erreichen,
ohne daß der Erregungsfluß den Weg über den Ankerluftspalt und den Nebenschluß nehmen
muß. Dies wird dadurch erreicht, daß der zusätzliche Fluß der Erregerwicklung durch
Sättigungserscheinungen Nebenschluß den Fluß des verdrängt. permanenten Gekennzeichnet
Magneten über sind einen diese -
Lösungen durch einen luftspaltlosen, geschlossenen
magnetischen Kreis für die Zusatzerregung. Hier sind vor allem zwei Konstruktionen
bekanntgeworden, die jedoch prinzipiell miteinander identisch sind, und zwar der
Sperrmagnetauslöser (deutsche Patentschriften 911755 und 949 502)
und der Auslöser mit zweigeteiltem Joch (österreichische Patentschrift
197 895).
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Klappt man nämlich unter Beibehaltung des Luftspaltes die beiden Hälften
des Sperrmagnets um die vertikale Symmetrieachse zusammen, so entsteht aus dem Sperrmagnet
der Auslöser mit zweigeteiltem Joch. Tatsächlich entspricht die praktische Ausführung
des Sperrmagnetauslösers diesem Ideengang. Vorteilhaft bei dieser Gruppe von Lösungen
ist es, daß die Sättigungswirkung unabhängig von der Richtung des Erregerstromes
auftritt, also bei Wechselstrom schon in der ersten Halbwelle. Des weiteren schließt
sich der Erregerkreis im Eisen und ist luftspaltlos. Dadurch können aber höchste
Empfindlichkeiten erreicht werden. '#on Nachteil ist dagegen, daß bei diesen Auslösern
der magnetische Werkstoff des Ankers schlecht ausgenutzt wird-. Deshalb muß der
Anker mit relativ, großem Querschnitt ausgebildet werden. Dies wiederum ist ein
Nachteil für die Erschütterungsfestigkeit des Auslösers. Nur wenn der Anker
massearm ausgebildet ist, können die vorschriftsmäßigen und für die Praxis notwendigen
Er-. säletterungsprüfungen. und die dadurch verarsach-r', teil be#chIeunigungen
bei kleinsten Haltekräften be standen werden. Durch kleine Haltekräfte steigt.aberwieder
die Auslöseempfindlichkeit. Hier liegt auch. 6ine'Schwierigkeit für eine Gruppe
von Auslösern, die zwar mit Sättigungserscheinungen arbeitet, aber deii Anker
als Permanentmagnet ausgebildet hat. Ein, weiterer Nachteil des Sperrinagnetauslösers
besteht darin, daß die Sättigung durch den Erregerfluß an Stellen des Joches erfolgt,
die von der Ankerauflagefläche relativ weit entfernt sind. Kennzeichnend ist,# daß
#im Verlauf des permanenten Flusses in jeder Hälfte des Jochkörpers zuerst ein ungesättigtes
Ge-' biet, dann zwei gesättigte Sperrgebiete und dann wieder bis zur Auflagefläche
des Ankers ein ungesättigtes Gebiet folgt. In letzterem fließt neben dem Haltefluß,
der den Anker durchsetzt, ein nicht unbeträchtlicher Streufluß. Bei der Sperrung
muß der' Haltefluß und der Streufluß durch den Erregerfluß. verdrängt werden, der
dafür eine unnötig hohe Am-' perewindungszahl benötigt. Darüber hinaus bringt die
Anordnung mit je zwei räumlich getrennten Sättigungszonen einen unnötig hohen magnetischen
Widerstand für den Erregerfluß. Dies gilt in erhöhtem Maß auch für den Auslöser
mit zweigetefftem Joch. Hier wird überhaupt das ganze Joch durch den, Erregerfluß
in die Sättigung efüh#t,- wobei noch der Nachteil besteht, daß durch den fehlenden
magnetischen Nebenschluß der permanente Fluß als Streufluß auf die kleine Fläche
des Joches zusammengedrängt wird, die zwischen dem Perinanentmagnet und der Erregerwicklung
besteht. -Pür die Erreichung einer hohen Auslöseempfindlichkeit ist es daher viel
besser, das Gebiet der Sättigung möglichst klein zu halten. Es liegt nahe, es direkt
auf den Teil des Joches zu begrenzen, der dem Anker unmittelbar benachbart ist.
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Die Erfindung löst nun sowohl das Problem der besten Ausnutzung des
Ankerquerschnittes als auch die Aufgabe, bei Erregung in jeder Hälfte des Jochkörpers
nur ein einziges Sperrgebiet zu schaffen, das auf die Umgebung der Ankerauflagefläche
begrenzt ist.
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Eine bessere Ausnutzung des Ankerquerschnittes kann am einfachsten
durch eine Aufteilung des permanenten Halteflusses erfolgen. Der Stand der Technik
kennt dafür mehrere Methoden. So werden z. B. Magnetpole verwendet, die zahnartig
ineinandergreifen (schweizerisches Patent 363 090) und durch einen zweipoligen
Elektro- oder Permanentmagnet magnetisiert werden. Eine andere Lösung besteht in
einer zylindrischen Anordnung, wobei durch symmetrische Jochblechpakete mit keilförmigen
Permanentmagneten die gewünschte Polzahl erzielt wird (deutsche, Patentschrift
1- 019 376). Alle bekannten Ausführungen mehrpoliger Auslöser mit Haltemagnetankern
sind jedoch aufwendig in der Herstellung, nehmen viel Raum ein und gewährleisten-nicht
die erforderliche Exaktheit hinsichtlich des magnetischen Nebenschlusses, die für
einen höchstempfindlichen Auslöser erforderlich ist.
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t Durch die Erfindung werden die - vorst ' ehend aufgeführten
Nachteife# - äer - Ü#kannten Einrichtungen vermieden. Die Erfindung"-
bezieht sich auf einen Haltemagnetauslöser hoher 4pipfindlichkeit, der aus. einem
Permanentmagnet 1, einer oder mehreren Ansprechwicklungen 2, einem Auslöseanker
3 und einem» schichtenförrmig aufgebauten Jochkörper zur Führung' des permanenten
Magnetflusses 4 besteht und eine oder mehrere öffnungen zur Aufnahme der An-. sprechwicklu
nig(en) besitzt und dessen Querschnitt für den Erregerfluß, der durch die Ansprechwicklung(en)
erzeugt wird, stellenweise stark herabgesetzt ist, wobei der Auslöseanker und der
Permanentmagnet so angeordnet sind, daß sie die Jochschichten überbrücken. Die wesentliche
Ausgestaltung besteht darin, daß bei einem Haltemagnetauslöser der vorgenannten
Art erfindungsgemaß *der luftsi#altlose'Io#hkörper minr. destens drei Jochschichten
besitzt, die aus im wesentlichen gleichartigen rechteckigen'Blechrahmen be-. stehen,
die parallel zueinander angeordnet und durch dazwischenliegende Trennschichten aus
nichtmagnetischem Material oder Luft distanziert sind, wobei an der Auflagestelle
des Ankers auf dem Jochkörper die Breite der Blechrahmen herabgesetzt ist. Auf diese
Weise wird bei gleicher Kraftliniendichte und -anzahl im Anker der Ankerquerschnitt
beträchtlich verkleinert. Die, Jochschichten dienen zur Führung des pormanenten
Halteflusses, der zum Teil den Anker durchsetzt, zum Teil aber einen Rückschluß
über die Trennschichten findet. Durch die Dicke der Trennschichten kann nunmehr
der magnetische Nebenschluß in ei nfacher und exakter Weise bemessen werden,
ohne daß ein- zusätzlicher. ärbeits# oder
materialmäßiger
Aufwand notwendig ist. Durch die Herabsetzung der Breite des Blechrahmens an der
Auflagestelle des Ankers wird erreicht, daß bei Erregung zuerst nur jene Teile der
Jochschicht gesättigt werden, auf denen der Anker aufliegt, und somit praktisch
nur der Haltefluß des Ankers durch die Erregung beeinflußt wird.
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Eine zweckmäßige weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß der magnetische Widerstand der Jochschichten, die den Fluß zum Anker führen,
etwa gleich dem magnetischen Widerstand der Jochschichten ist, die dem Rückfluß
dienen. Zur Verbesserung des Haltemagnetauslösers kann weiterhin erfindungsgemäß
für die Erzeugung des permanenten Magnetflusses ein mehrpoliger Permanentmagnet
verwendet werden, der drehbar angeordnet ist, so daß durch dessen Verdrehung die
Empfindlichkeit des Auslösers einstellbar ist.
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Die für die Wirkung des Haltemagnetauslösers notwendige Magnetisierung
der Jochschichten kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. So kann gemäß
der weiteren Erfindung der Permanentmagnet als dreipoliger Magnet ausgebildet sein
und der Jochkörper aus drei Jochschichten bestehen, wobei der Blochrahmen der mittleren
Jochschicht auf einem Pol des. Magnets aufliegt und die Rahmen der beiden äußeren
Jochschichten, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines geeigneten Polschuhes,
auf den beiden entgegengesetzt gerichteten Polen aufliegen. Es ergibt sich dadurch
eine besonders einfache Ausführungsform des Haltemagnetauslösers.
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Will man als Permanentmagnet einen zweipoligen Magnet verwenden, so
ergibt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Ausführungsform des Haltemagnetauslösers,
bei der die Blechrahmen an einer Seite einen polstückartigen Ansatz zur Auflage
auf einem Pol des Permanentmagnets besitzen, wobei die Ansätze der aufeinanderfolgenden
Jochschichten wechselseitig angeordnet sind. Damit liegen die Ansätze der Blechrahmen
abwechselnd auf dem einen Pol (z. B. dem Südpol) bzw. auf dem entgegengesetzt gerichteten
Pol (z. B. dem Nordpol) auf. Bei einer derartigen Anordnung, bei der also der Jochkörper
aus mehr als drei Jochschichten besteht, ergeben sich für den Ankerquerschnitt wesentlich
kleinere Abmessungen.
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In den F i g. 1 bis 7 ist die erfindungsgemäße Ausführung
eines Haltemagnetauslösers beispielsweise dargestellt. Die F i g. 1 bis
3 betreffen die Anordnung der Jochschichten des Auslösers; in den F i
g. 4 und 5 ist eine Ausführungsart mit mehr als drei Jochschichten
dargestellt; die F i g. 6 und 7 zeigen einen Magnetauslöser, der drei
Jochschichten und einen dreipoligen Permanentmagnet besitzt.
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Wie aus den F i g. 1 bis 3 hervorgeht, setzt sich der
Haltemagnetauslöser aus einem schichtartig aufgebauten Jochkörper zusammen, wobei
die Jochschichten aus magnetisch hochwertigem Material durch mindestens zwei Trennschichten
aus nichtmagnetischem Material distanziert sind. Aus den F i g. 1 bis
3 geht hervor, daß bei gleicher Kraftliniendichte und -anzahl im Anker durch
Erhöhung der Jochschichtenanzahl der Ankerquerschnitt beträchtlich verkleinert werden
kann. Die Jochschichten dienen zur Führung des permanenten Halteflusses, der zum
Teil den Anker durchsetzt und zum Teil einen Rückschluß über die Trennschichten
findet.
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In den F i g. 4 und 5 ist beispielsweise ein Auslöser
mit drei Trennschichten 5 a, 5 b und 5
c dargestellt. Der Anker 3 und der Permanentmagnet 1
sind an geeigneter
Stelle des Jochkörpers so angeordnet, daß sie die Trennschichten überbrücken. Der
Jochkörper setzt sich in diesem Ausführungsbeigpiel aus vier Jochschichten zusammen,
die aus im wesentlichen gleichartigen rechteckigen Blechrahmen bestehen. Durch die
polstückartigen Ansätze 6 a, 6 b,
6 c und 6 d
wird der Fluß des Pormanentmagnets 1
in zwei gleiche Teile aufgeteilt, wobei
die Jochschichten 4 b und 4 d den Fluß zum Auslöseanker
3 führen und die Jochschichten 4 a und 4 c als Rückfluß dienen. Die
Jochschichten sind luftspaltlos ausgebildet und bestehen ebenso wie der Anker aus
hochpermeablem Material. An der Stelle, an der der Anker aufliegt, ist die Breite
der Blechrahmen herabgesetzt, was eine Verringerung des Querschnittes der Jochschichten
bewirkt. Hierdurch wird eine frühzeitige, lokale Sättigung bei Erregung der Wicklung
2 erreicht. Der Haltefluß wird dadurch als zusätzlicher Streufluß über die Trennschichten
verdrängt, und der Anker 3 kann durch die Federkraft der Auslösefeder
7 abgezogen werden.
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In den F i g. 6 und 7 ist als weiteres Beispiel ein
Auslöser dargestellt, der zwei Trennschichten 5 a und
5 b besitzt, die die mittlere Jochschicht 4 b von den
beiden äußeren Jochschichten 4 a und 4 c magnetisch trennen. Auf der einen Seite
des Jochkörpers sitzt auf den Polschuhen 6 ein dreipoliger Magnet
1, der entweder aus zwei normalen, zweipoligen Magneten zusammengesetzt oder
als dreipoliger N-S-N- oder S-N-S-Permanentmagnet ausgebildet ist. Die Blechrahmen
der mittleren Jochschicht 4 b liegen in ihrer ganzen Breite auf dem Mittelteil
des Permanentmagneten auf und stehen somit mit dem einen Pol (z. B. dem Nordpol)
in Berührung, wogegen die äußeren beiden Jochschichten4a und 4c über die Polschuhe6
mit den entgegengesetzt gerichteten Polen (z.B. den beiden Südpolen) in Verbindung
stehen. Auch bei diesem Auslöser ist die Breite der die Jochschichten bildenden
Blechrahmen an der Auflagestelle des Ankers 3 stark herabgesetzt.
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Der permanente Fluß fließt über die mittlere Jochschicht 4
b und schließt sich zum Teil über die beiden Trennschichten
5 a und 5 b, und zum Teil fließt er über den
auf der gegenüberliegenden Jochseite angeordneten Auslöseanker 3 und hält
den Anker dadurch in seiner Ruhelage. Der Rückweg des Permanentflusses erfolgt zu
etwa gleichen Teilen über die beiden äußeren Jochschichten 4 a und 4 e. Bei Erregung
der Wicklung 2 fällt der Anker 3 infolge der Wirkung der Feder
7 ab.