DE1513564C - Magnetic release for circuit breakers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetauslöser für Schutzschalter, insbesondere für Fehlerstromschutzschalter, mit zwei lamellierten, in Abstand parallel angeordneten, an ihren Verbindungsstegen durch einen Permanentmagneten überbrückten Weicheisenjochen, mit einem von der Kraft des vom Permanentmagneten erregten Flusses entgegen einer Abreißfeder gehaltenen weichmagnetischen Anker und mit einer je zwei benachbarte Schenkel der Weicheisenjoche umschließenden Erregerspule.The invention relates to a magnetic release for circuit breakers, in particular for residual current circuit breakers, with two laminated, parallel spaced apart, on their connecting webs Soft iron yokes bridged by a permanent magnet, with one of the power of the permanent magnet excited flux held against a breakaway spring and soft magnetic armature with an excitation coil enclosing two adjacent legs of the soft iron yokes.

Ein derartiger Magnetauslöser ist aus der österreichischen Patentschrift 197 895 bekannt, dessen Joch aus zwei gleichen luftspaltlosen, mit einem Zwischenraum geringer Permeabilität, insbesondere mit einer Zwischenlage aus nichtmagnetischem Material, nebeneinanderliegenden Teilen besteht, welche aus Lamellen eines magnetisch weichen, hochpermeablen Werkstoffes als zwei- oder mehrschenkelige Rahmen aufgebaut sind. An den die Schenkel dieses Joches quer verbindenden Rahmenteilen sind einerseits ein Permanent- oder Elektromagnet und andererseits ein Anker angeordnet, welche jeder den Zwischenraum zwischen beiden Teilen des Joches überbrücken. Auf beiden Schenkeln dieses zweiteiligen Joches sitzen Erregerspulen, welche gegebenenfalls verschiedenen Stromkreisen angehören können.Such a magnetic release is known from Austrian patent specification 197 895, the yoke of which from two identical air gapless, with a gap of low permeability, in particular with one Intermediate layer made of non-magnetic material, juxtaposed parts consisting of lamellae a magnetically soft, highly permeable material as a two-legged or multi-legged frame are constructed. On the one hand, on the frame parts that transversely connect the legs of this yoke Permanent or electromagnet and on the other hand an armature arranged, which each the gap bridge between both parts of the yoke. Sit on both legs of this two-part yoke Excitation coils, which may belong to different circuits.

Diese Ausführungsform eines Magnetauslösers stellt eine Art »Sperrmagnet« dar, bei welchem das permanentmagnetisch erregte Halten durch einen zwischengeschalteten Weicheisenteil übertragen wird, welcher im Fall der Auslösung durch Erregung des rahmenförmigen Joches durch relativ große Wechsel-Stromamplituden in seinen Sättigungsbereich gebracht und dadurch zu einem hohen magnetischen Widerstand wird, welcher die magnetische Übertragung sperrt, d. h. im Joch, das in diesem Fall geschlossen sein muß, wird durch zunehmende Induktions-Steigerung die Permeabilität so weit verkleinert bzw. der magnetische Widerstand vergrößert, daß der Anker infolge der mechanischen Gegenkraft abfällt. Solche Sperrmagnete treten üblicherweise erst bei Überlastungsströmen in Funktion.This embodiment of a magnetic release represents a kind of "blocking magnet" in which the permanent magnetically excited holding is transmitted through an interposed soft iron part, which in the case of tripping by exciting the frame-shaped yoke through relatively large alternating current amplitudes brought into its saturation range and thereby becomes a high magnetic resistance, which the magnetic transmission locks, d. H. in the yoke, which must be closed in this case, is increased by increasing induction the permeability is reduced or the magnetic resistance is increased so that the armature falls off as a result of the mechanical counterforce. Such blocking magnets usually appear first in function with overload currents.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem Haltemagnetprinzip arbeitenden Magnetauslöser zu schaffen, der gegenüber einem Sperrmagnetauslöser eine wesentlich höhere Ansprechempfindlichkeit hat, d. h. zu dessen Auslösung eine erheblich geringere Erregerleistung benötigt wird, was vor allem für Fehlerschutzschalter von großer Bedeutung ist.The invention is based on the object of creating a magnetic release that works according to the holding magnet principle, which is the opposite of a blocking magnetic release has a much higher sensitivity, d. H. to trigger a significant lower excitation power is required, which is particularly important for fault protection switches is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Magnetauslöser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die beiden Weicheisenjoche U-förmig ausgebildet und ihre Schenkel an zwei diagonal gegenüberliegenden Stirnflächen durch den Weicheisenanker überbrückt sind.This object is achieved according to the invention in a magnetic release of the type mentioned at the outset solved that the two soft iron yokes U-shaped and their legs on two diagonally opposite Front faces are bridged by the soft iron anchor.

Das erfindungsgemäße Magnetsystem arbeitet nach dem Haltemagnetprinzip, bei dem das auf den Anker wirkende, ständig vorhandene permanentmagnetische Feld von dem steuernden Wechselfeld überlagert wird, wodurch das Gleichfeld des Permanentmagneten durch die entgegenwirkende Halbwelle des Wechselfeldes geschwächt wird, was spätestens nach Ablauf einer vollen Wechselstrom-Periode zum Abfallen des Ankers führt. Das Magnetjoch muß bei diesem Magnetauslöser unbedingt offen sein. Daß bei diesem Prinzip die Auslösung von der Polarität des Auslösestroms abhängig ist, bringt für die praktische Anwendung keinerlei Nachteile mit sich. Gegenüber dem bekannten Sperrmagnetprinzip hat dagegen das erfindungsgemäße Magnetsystem eine um ein bis zwei Größenordnungen höhere Empfindlichkeit. Die höhere Empfindlichkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß bei gleichen Abmessungen für die Schwächung des Gleichfeldes durch das steuernde Wechselfeld weniger Erregerenergie notwendig ist als für die beim Sperrmagnetprinzip erforderliche Sättigung des Weicheisenjoches. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß es bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem hinsichtlich der Auslösung auf die Wirkung entgegengerichteter Magnetfelder ankommt und daß deshalb bereits eine Teilkompensation des Gleichfeldes zu einer Unterschreitung der Haltekraft des Ankers führt.The magnet system according to the invention works on the holding magnet principle, in which the on the Anchors acting, constantly present permanent magnetic field superimposed by the controlling alternating field is, whereby the constant field of the permanent magnet by the counteracting half-wave of the Alternating field is weakened, which at the latest after the expiry of a full alternating current period to decrease of the anchor leads. The magnetic yoke must be open with this magnetic release. That at this principle the tripping depends on the polarity of the tripping current, brings for the practical Application does not entail any disadvantages. Compared to the well-known locking magnet principle, however, this has Magnet system according to the invention has a sensitivity that is one to two orders of magnitude higher. the higher sensitivity results from the fact that with the same dimensions for the weakening of the constant field by the controlling alternating field less excitation energy is necessary than for the Locking magnet principle required saturation of the soft iron yoke. It should be noted that it in the magnet system according to the invention with regard to the triggering on the effect of the opposite direction Magnetic fields arrives and that therefore already a partial compensation of the constant field to an undershoot the holding force of the anchor.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Magnetauslösers besteht der Weicheisenanker aus einem etwa rhombischen Mittelstück und zwei an diesem gegengleich angesetzten, rechteckigen Flügeln.In a preferred embodiment of the magnetic release, the soft iron armature consists of one roughly rhombic center piece and two opposite, rectangular wings attached to it.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind bei einem Magnetauslöser zur Verwendung für Fl-Schutzschalter auf den Weicheisenjochen zwei gleichsinnig gewickelte und in Reihe geschaltete Erregerspulen angeordnet. Durch diese Anordnung wird die Entmagnetisierungswirkung der von den in Reihe geschalteten Erregerspulen erzeugten Flüsse summiert.In a further embodiment of the invention there are two in the case of a magnetic release for use for Fl circuit breakers on the soft iron yokes arranged in the same direction and connected in series excitation coils. Through this arrangement becomes the demagnetizing effect of the fluxes generated by the series-connected excitation coils summed up.

Im Falle einer Verwendung des MasmetauslösersIn the case of using the mask trigger

für kombinierte FI-FU-Schutzschalter sind nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf den Weicheisenjochen zwei in getrennten Stromkreisen liegende Erregerspulen angeordnet, von denen die eine als Spannungsspule (z. B. für Fehlerspannung) mit hoher Windungszahl, die andere als Stromspule (z. B. für Fehlerstrom) niedriger Windungszahl ausgebildet ist.for combined FI-FU circuit breakers are according to Another embodiment of the invention on the soft iron yokes two in separate circuits Horizontal excitation coils arranged, one of which is used as a voltage coil (e.g. for fault voltage) with a high number of turns, the other as a current coil (e.g. for fault current) with a low number of turns is.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß aufgebauten Magnetauslösers veranschaulicht. Es zeigtIn the drawing, an embodiment of the magnetic release constructed according to the invention is illustrated. It shows

F i g. 1 diesen Magnetauslöser in Schrägansicht,F i g. 1 this magnetic release in an oblique view,

F i g. 2 denselben im Schnitt durch einen Schenkel des zweiteiligen U-förmigen Joches,F i g. 2 the same in section through one leg of the two-part U-shaped yoke,

Fig. 3 ein Kurvendiagramm des Auslösestromes und der Haltekraft,3 shows a graph of the tripping current and the holding force,

F i g. 4 den auslösenden Magnetfluß bei Wechselstrombetrieb als Funktion der Zeit,F i g. 4 the triggering magnetic flux in AC operation as a function of time,

Fig. 5 die zugehörige Haltekraft als Funktion der Zeit.5 shows the associated holding force as a function of time.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Magnetauslöser besitzt einen magnetischen Kreis, bestehend aus ^ zwei U-förmigen, lamellierten Weicheisenjochen 1 s und 2, welche im Abstand parallel zueinander, durch einen Luftspalt 3 oder eine Distanzplatte getrennt angeordnet sind. An diesen Weicheisenjochen 1 und 2 liegt an den Verbindungsstegen ein Permanentmagnet 4 mit je einem Pol an. Die Schenkel der Weicheisenjoche sind an zwei diagonal gegenüberliegenden Stirnflächen N" und 5" durch einen von einer Abreißfeder 6 gehaltenen Weicheisenanker 5 überbrückt, welcher entsprechend geformt ist und den magnetischen Gleichfluß schließt.The in the F i g. 1 and 2 has a magnetic circuit, consisting of ^ two U-shaped, laminated soft iron yokes 1 s and 2, which are arranged at a distance parallel to each other, separated by an air gap 3 or a spacer plate. A permanent magnet 4, each with one pole, rests on the connecting webs of these soft iron yokes 1 and 2. The legs of the soft iron yokes are bridged at two diagonally opposite end faces N " and 5" by a soft iron armature 5 held by a breakaway spring 6, which is correspondingly shaped and closes the magnetic constant flux.

An diesen beiden Weicheisenjochen 1 und 2 sind je zwei aneinanderliegende Schenkel paarweise von einer gemeinsamen Erregerspule 7 bzw. 8 umschlossen. Der Permanentmagnet kann als Stabmagnet mit üblicher Polanordnung ausgebildet sein. Der Weicheisenanker 5, welcher die Weicheisenjoche 1 und 2 diagonal verbindet, besteht aus einem etwa rhombischen Mittelstück und zwei an dieses gegengleich angesetzten, rechteckigen Flügeln 5' und 5", welche je eine Stirnfläche N" und S" eines Joches abdecken. Annähernd im Symmetriemittelpunkt des Weichei-) senankers 5 greift die Abreißfeder 6 an.On these two soft iron yokes 1 and 2, two adjacent legs are enclosed in pairs by a common excitation coil 7 and 8, respectively. The permanent magnet can be designed as a bar magnet with a conventional pole arrangement. The soft iron anchor 5, which connects the soft iron yokes 1 and 2 diagonally, consists of an approximately rhombic center piece and two oppositely attached, rectangular wings 5 'and 5 "which each cover an end face N" and S "of a yoke. Approximately in the center of symmetry of the soft iron anchor 5 engages the tear-off spring 6 .

Bei dem dargestellten Auslöser erregt der Permanentmagnet 4 die parallelen, U-förmigen Weicheisenjoche. Sein Nordpol liegt dabei am vorderen Weicheisenjoch 1 und sein Südpol am hinteren Weicheisenjoch 2 an. Der Weicheisenanker 5 schließt den magnetischen Kreis von der rechten Stirnfläche N" des vorderen Weicheisenjoches 1 zur linken Stirnfläche 5' des hinteren Weicheisenjoches 2. Der Weicheisenanker 5 wird an diesen beiden Stirnflächen gegen den Zug der Abreißfeder 6 gehalten. Der Weicheisenanker 5 schließt auf diese Weise sowohl den Gleichfluß-Kreis des Permanentmagneten als auch den im Weicheisenjoch durch die Erregerspulen 7 und 8 erzeugten Wechselfluß-Kreis.In the illustrated trigger, the permanent magnet 4 excites the parallel, U-shaped soft iron yokes. Its north pole rests on the front soft iron yoke 1 and its south pole on the rear soft iron yoke 2. The soft iron anchor 5 closes the magnetic circuit from the right end face N "of the front soft iron yoke 1 to the left end face 5 'of the rear soft iron yoke 2. The soft iron anchor 5 is held on these two end faces against the pull of the tear-off spring 6. The soft iron anchor 5 closes in this way both the constant flux circuit of the permanent magnet and the alternating flux circuit generated in the soft iron yoke by the excitation coils 7 and 8.

Wird der Magnetauslöser für nur eine einzige Auslöseursache verwendet, dann können die auf die aneinanderliegenden Schenkel der Weicheisenjoche 1,2 aufgesteckten Erregerspulen 7 und 8 symmetrisch gleich sein. Es können aber auch zwei verschiedene Erregerspulen verwendet werden, von denen die eine, mit vielen dünndrahtigen Windungen, z. B. durch eine Fehlerspannung aus einer hochohmigen Stromquelle und die andere, mit wenigen starken Windungen, durch einen Fehlerstrom aus einerIf the magnetic release is used for only one single cause, then the adjacent Legs of the soft iron yokes 1,2 attached excitation coils 7 and 8 symmetrically be equal. But it can also be used two different excitation coils, of which the one with many thin-wire turns, e.g. B. by a fault voltage from a high resistance Power source and the other, with a few strong turns, by a fault current from one

ίο niederohmigen Stromquelle erregt wird.ίο low-resistance power source is excited.

Für die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Magnetauslösers ist es wichtig, daß die Schenkel des U-förmigen Weicheisenjoches relativ kurz sind und daß die Erregerspulen möglichst nahe an dem zu entmagnetisierenden Weicheisenanker 5 liegen. Der durch die Erregerspulen erregte Wechselfluß wird ohne Schwächung durch den inneren Widerstand des Permanentmagneten, der relativ hoch ist, unmittelbar auf die für die Wirkung kritische Zone geführt, d. h.For the operation of the magnetic release according to the invention, it is important that the legs of the U-shaped soft iron yoke are relatively short and that the excitation coils are as close as possible to the one to be demagnetized Soft iron anchor 5 lie. The alternating flux excited by the excitation coils is without being weakened by the internal resistance of the Permanent magnet, which is relatively high, is guided directly to the zone that is critical for the effect, d. H.

auf den Weicheisenanker 5 und auf die an diesen anschließenden Stirnflächen/V" und S'. Der Wechselfluß schließt sich im wesentlichen über den geringen magnetischen Widerstand des großflächigen und sehr engen Luftspaltes zwischen den Weicheisenjochschenkein. Der Gleichfluß des Permanentmagneten muß natürlich den Widerstand je eines halben Weicheisenjoches überwinden, um seine Haltewirkung an den Weicheisenanker 5 heranzubringen.on the soft iron armature 5 and on the adjoining end faces / V '' and S '. The alternating flux closes essentially via the low magnetic resistance of the large and very narrow air gap between the soft iron yoke legs Overcome soft iron yoke in order to bring its holding effect to the soft iron anchor 5.

Das Diagramm der F i g. 4 zeigt die Abhängigkeit der Ankerhaltekraft P vom Auslösestrom /. Negative Steuerströme — / verstärken lediglich den Gleichfiuß bis zur Sättigung und ergeben keine Auslösung, positive Steuerströme +/ schwächen dagegen die Haltekraft schon bei kleinsten Werten und diese bewirken daher das Abfallen des Weicheisenankers 5 bereits bei Unterschreitung der Kraft P_t· der Abreißfeder 6. Die Auslösung erfolgt also mit sehr großer Empfindlichkeit. Bei etwaiger weiterer Steigerung dieses Steuerstromes würde die Haltekraft weiter bis zum Wert P_min absinken und dann nach völliger Überwindung des Gleichflusses linear ansteigen. Dieser Ast des Diagramms ist daher für den Betrieb des Auslösers völlig belanglos, weil nach erfolgter Auslösung der Strom nicht mehr weiter ansteigen kann.The diagram of FIG. 4 shows the dependence of the armature holding force P on the tripping current /. Negative control currents - / only intensify the steady-state flow until saturation and do not result in triggering, positive control currents + /, on the other hand, weaken the holding force even at the smallest values and these therefore cause the soft iron armature 5 to fall off when the force P _t · of the tear-off spring 6 is undershot Triggering takes place with a very high level of sensitivity. In the event of a further increase in this control current, the holding force would decrease further to the value P _min and then increase linearly after the constant flow has been completely overcome. This branch of the diagram is therefore completely irrelevant for the operation of the release, because the current can no longer increase after it has been triggered.

Die Diagramme der F i g. 5 und 6 gelten nun für den üblichen Fall der Wechselstromauslösung. Der Magnetfluß Φ bzw. die zugehörige Haltekraft P sind in Abhängigkeit von der Zeit schematisch dargestellt (d. h. für den theoretischen Idealfall eines sinusförmigen Wechselflusses). Die erste Halbwelle ist als gleichsinnig mit der Flußrichtung Φ_Μ des Permanentmagneten angenommen. Wie in Fig. 6 bei der Kraftfunktion ersichtlich, wird schon zu Beginn der zweiten, also der Auslösehalbwelle, die Haltekraft P_H des Ankers unterschritten, d. h. die Differenz der permanentmagnetischen Anziehung P_M und der Federkraft P_r. Dies bedeutet, daß bei 50 Hz Wechselstrom die gesamte Auslöseverzögerung maximal etwa in der Größenordnung von 10 msec liegt. In der Praxis ereeben sich Werte von etwa 3 bis 5 msec.The diagrams of FIG. 5 and 6 now apply to the usual case of AC tripping. The magnetic flux Φ and the associated holding force P are shown schematically as a function of time (ie for the theoretical ideal case of a sinusoidal alternating flux). The first half-wave is assumed to be in the same direction as the direction of flow Φ _{Μ of} the permanent magnet. As can be seen in the force function in FIG. 6, the holding force P _{H of} the armature is fallen below already at the beginning of the second, i.e. the tripping half-wave, ie the difference between the permanent magnetic attraction P _M and the spring force P _r . This means that with 50 Hz alternating current, the total release delay is at most in the order of magnitude of 10 msec. In practice, values of around 3 to 5 msec occur.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Magnetauslöser für Schutzschalter, insbesondere für Fehlerstromschutzschalter, mit zwei lameliierten, in Abstand parallel angeordneten, an ihren Verbindungsstegen durch einen Permanentmagneten überbrückten Weicheisenjochen, mit einem von der Kraft des vom Permanentmagneten erregten Flusses entgegen einer Abreißfeder gehaltenen weichmagnetischen Anker und mit einer je zwei benachbarte Schenkel der Weicheisenjoche umschließenden Erregerspule, dadurch gekennzeichnet, daß beide Weicheisenjoche (1, 2) U-förmig ausgebildet und ihre Schenkel an zwei diagonal gegenüberliegenden Stirnflächen (N", S') durch den Weicheisenanker (5) überbrückt sind.1. Magnetic release for circuit breakers, especially for residual current circuit breakers, with two laminated soft iron yokes, which are arranged in parallel at a distance and bridged at their connecting webs by a permanent magnet, with a soft magnetic armature held by the force of the flux excited by the permanent magnet against a breakaway spring and with one each two adjacent Leg of the excitation coil surrounding the soft iron yokes, characterized in that both soft iron yokes (1, 2) are U-shaped and their legs are bridged by the soft iron armature (5) on two diagonally opposite end faces (N ", S '). 2. Magnetauslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weicheisenanker (5) aus einem etwa rhombischen Mittelstück und zwei an diesem gegengleich angesetzten, rechteckigen Flügeln (5' und 5") besteht.2. Magnetic release according to claim 1, characterized in that the soft iron armature (5) from an approximately rhombic middle piece and two oppositely attached, rectangular ones Wings (5 'and 5 "). 3. Magnetauslöser nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung für Fl-Schutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Weicheisenjochen (1,2) zwei gleichsinnig gewickelte und in Reihe geschaltete Erregerspulen (7,8) angeordnet sind.3. Magnetic release according to claim 1 or 2 for use for Fl circuit breaker, characterized in that that on the soft iron yokes (1,2) two co-wound and series-connected excitation coils (7,8) are arranged. 4. Magnetauslöser nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung für kombinierte FI-FU-Schutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Weicheisenjochen (1,2) zwei in getrennten Stromkreisen liegende Erregerspulen (7, 8) angeordnet sind, von denen die eine als Spannungsspule (z. B. für Fehlerspannung) mit hoher Windungszahl, die andere als Stromspule (z. B. für Fehlerstrom) mit niedriger Windungszahl ausgebildet ist.4. Magnetic release according to claim 1 or 2 for use for combined FI-FU circuit breakers, characterized in that on the soft iron yokes (1,2) two in separate circuits Horizontal excitation coils (7, 8) are arranged, one of which is used as a voltage coil (z. B. for Fault voltage) with a high number of turns, the other as a current coil (e.g. for fault current) is designed with a low number of turns.