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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines, insbesondere
für einen
Differentialschutz-Lastschalter oder -Leistungsschalter bestimmten
elektromagnetischen Auslöserelais
hoher Ansprechempfindlichkeit, das einen, durch einen Dauermagneten
polarisierten und eine Steuerspule tragenden Magnetkreis umfaßt, welcher
aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehende Magnetkreis ein feststehendes
Rückschlußeisen und
einen beweglichen Anker mit jeweils einer Polfläche umfaßt, die bei Anziehung des Ankers
durch das Rückschlußeisen in gegenseitige
Auflage gelangen, wobei verfahrensgemäß
- – die Polfläche des
Rückschlußeisens
und die Polfläche
des Ankers gleichermaßen
einer Oberflächenbehandlung
unterzogen werden, um einen Rauheitswert Ra größer oder gleich 0,03 μ und kleiner
als 0,5 μ zu
erzielen und so über
die Spitzen zwischen den beiden Flächen einen Punktkontakt zu
gewährleisten,
wobei Ra die mittlere Profilhöhe
oberhalb und unterhalb der Mittellinie darstellt,
- – die
genannten Polflächen
mit einer Schutzschicht auf Basis von amorphem Kohlenstoff überzogen
werden, deren Dicke kleiner oder gleich 1 μ ist.
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Auslöser der
beschriebenen Art müssen
zuverlässig
sein und bei Ansprechwerten arbeiten, die nicht durch Umgebungsbedingungen,
insbesondere nicht durch feuchte Wärme beeinträchtigt werden, da diese eine
Korrosion zwischen dem Eisen und dem Nickel mit Bildung von Eisenoxyden
und -hydroxyden und dadurch bedingt eine Fehlauslösung oder
ein Hängenbleiben
des Ankers zur Folge haben kann. Auslöser mit hoher Ansprechempfindlichkeit
sind normalerweise in Differentialschutz-Lastschalter oder -Leistungsschalter
für den
Personenschutz integriert, so daß Fehlfunktionen unter allen
Umständen zu
vermeiden sind.
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Es
wurde bereits vorgeschlagen, die Polflächen mit einer Schutzschicht,
insbesondere aus Kunststoff oder einem Edelmetall zu überziehen, aber
solche Beschichtungen sind entweder zu dick, so daß sie die
Ansprechempfindlichkeit des Auslösers
herabsetzen, oder zu dünn,
so daß es
bei Feuchtigkeit zur Bildung eines galvanischen Elements zwischen
Substrat und Beschichtung oder zwischen dem Eisen und dem Nickel
des Trägermaterials
kommen kann. Im allgemeinen werden polierte Polflächen verwendet,
um den Luftspalt zwischen den vollkommen glatten Oberflächen so
weit wie möglich
zu reduzieren, aber das Verhalten gegenüber feuchter Wärme wird
dadurch nicht verbessert. Bei einem kleinem Luftspalt berühren sich
die Polflächen
an einzelnen Stellen, an Teilflächen
oder Abschnitten, die schlecht belüftet sind, was außerdem dazu
führt,
daß sich
bei Kondensation des Wasserdampfs in diesen Abschnitten Wasser ansammelt und
die Entstehung von Korrosion begünstigt.
Diese Korrosion breitet sich über
den gesamten Bereich aus und bewirkt das Hängenbleiben des Relais.
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In
der Druckschrift FR-A-2.412.159 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Auslösers
mit hoher Ansprechempfindlichkeit beschrieben, bei dem mindestens
eine der Polflächen
mit einer Schicht überzogen
ist, deren Dicke kleiner oder gleich 1 μ ist, und die eine gewisse Schmierwirkung
aufweist sowie jeglichen Verschleiß durch Reibung verhindert.
Diese Schicht schließt
die feinen Oberflächenunebenheiten ein,
die dadurch nicht mehr brechen können,
sie bietet allerdings keinen Schutz gegen Korrosion.
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In
der Druckschrift FR-A-2618 941 ist ein Verfahren beschrieben, bei
dem die Schutzschicht aus einem Nitrid, insbesondere einem Titannitrid,
einem Karbid, einem Borid, aus amorphem Kohlenstoff oder aus einem
Metall der Hauptgruppen IB, IVB, VIB oder VIII des Periodensystems
der Elemente, insbesondere aus Chrom und Titan bestehen kann.
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Aggressive
chemische Umgebungen wie Salznebel, feuchte Wärme oder Umgebungen mit oxydierenden
oder korrosiven Stoffen können
jedoch die Korrosionsfestigkeit des Relais beeinträchtigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines elektromagnetischen Auslöserelais
mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu schaffen, mit dem es möglich ist,
eine zuverlässige
Funktionsweise sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit unabhängig von
den Umgebungsbedingungen zu erreichen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß alle
Seiten des Magnetkreises des Rückschlußeisens
und des Ankers mit einer gleichmäßigen Schicht
aus Kohlenstoff vom Typ DLC überzogen
sind, das eine Mischung aus sp3- und sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen enthält, wobei
die genannte Beschichtung eine Vickershärte zwischen 30 und 70 GPa
aufweist.
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Die
gleichmäßige DLC-Kohlenstoffbeschichtung
aller Seiten des Relais bildet in Verbindung mit der Oberflächenrauheit
der Polflächen
eine wirksame Korrosionssperre, die von der Art der oxydierenden oder
korrosiven Stoffe in der jeweiligen Umgebung des Relais unabhängig ist.
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Nach
einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung weist die DLC-Kohlenstoffbeschichtung
einen niedrigen Reibungskoeffizienten von etwa 0,10 bei einer Kraft
von 5 N auf und kann in der Dickenebene gezielt mit spezifischen
chemischen Elementen, insbesondere mit Fluor, Bor, Silizium oder
Stickstoff angereichert werden.
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Die
Erfindung ist auch auf einen Differentialschutz-Lastschalter oder
Leistungsschalter mit einem, durch einen Dauermagneten polarisierten
und eine Steuerspule tragenden Magnetkreis anwendbar, wobei der
genannte, aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehende Magnetkreis
- – ein
feststehendes Rückschlußeisen und
einen beweglichen Anker mit jeweils einer Polfläche umfaßt, die bei Anziehung des Ankers
durch das Rückschlußeisen in
gegenseitige Auflage gelangen, sowie
- – eine
Beschichtung auf Basis von amorphem Kohlenstoff mit einer Dicke
kleiner oder gleich 1 μ für den Korrosionsschutz
aufweist, wobei
- – die
Polflächen
des Rückschlußeisens
und des Ankers einen Rauheitswert Ra größer gleich 0,03 und kleiner
0,5 μ aufweisen,
dadurch
gekennzeichnet, daß die
Schutzbeschichtung auf sämtliche
Flächen
des Magnetkreises des Rückschlußeisens
und des Ankers aufgebracht ist und aus einer gleichmäßigen Schicht
aus DLC-Kohlenstoff besteht, die durch eine Mischung aus sp3- und sp2-hybridierten
Kohlenstoffatomen gebildet wird.
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Durch
die Verwendung von DLC-Kohlenstoff lassen sich optimale Eigenschaften
der Schutzbeschichtung hinsichtlich ihrer Härte und chemischen Trägheit sowie
ein sehr niedriger Reibungskoeffizient erzielen.
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Zum
besseren Verständnis
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 und 2 schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Differentialschutzauslösers, dargestellt
in der Anzugsstellung bzw. der Auslösestellung.
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Die
Erfindung wird nachstehend in der Anwendung auf ein Differentialschutz-Auslöserelais entsprechend
der europäischen
Patentschrift EP-A-301 935 beschrieben, ist jedoch selbstverständlich auch
auf Relais mit anderem Aufbau, insbesondere auf Relais der in den
französischen
Patentschriften 2261614 und 2520164 beschriebenen Bauart anwendbar.
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Die 1 und 2 zeigen einen polarisierten elektromagnetischen
Auslöser,
der ein U-förmiges magnetisches
Rückschlußeisen 1 aus
einer Eisen-Nickel-Legierung sowie einen, zwischen den Schenkeln 3 und 4 des
Rückschlußeisens 1 angeordneten
stabförmigen
Dauermagneten 2 umfaßt.
Einer der Pole 5 des Magneten 2 ist am Grund des
U-förmigen
Rückschlußeisens 1 befestigt,
und der andere Pol 6 ist dem beweglichen Anker 8 zugewandt.
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Der
ebenfalls aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehende bewegliche
Anker 8 ist gegenüber den
Polflächen 9, 10 des
Rückschlußeisens 1 bzw. des
Pols 6 des Magneten 2 angeordnet und schwenkbar
um die Kante 11 des Schenkels 3 des Rückschlußeisens 1 gelagert.
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Eine
Rückstellfeder 12 beaufschlagt
den Anker 8 in Richtung der ausgeschwenkten Trennstellung
vom Rückschlußeisen 1,
in der die Polfläche 14 des
Ankers 8 von der Polfläche 10 des
Rückschlußeisens 1 abgehoben
ist. Der Anker 8 kann zwei stabile Gleichgewichtslagen
einnehmen. In der einen Stellung gemäß Darstellung in 1 wird die Polfläche 14 durch
den vom Dauermagneten 2 erzeugten magnetischen Fluß in Auflage
auf der Polfläche 10 des Rückschlußeisens 1 gehalten.
In der anderen Stellung gemäß 2 ist die Polfläche 14 durch
die Gegenkraft der Feder 12 von der Polfläche 10 abgezogen.
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Um
den Schenkel 4 des Rückschlußeisens 1 ist
eine Steuerspule 16 gewickelt, um einen dem Fluß 13 des
Dauermagneten entgegengerichteten magnetischen Fluß 15 im
Schenkel 4 zu erzeugen, wenn die Spule von einem Erregerstrom
durchflossen wird. Wird der Fluß 13 des
Magneten 2 durch den Fluß 15 der Spule 16 abgeschwächt oder
aufgehoben, hebt sich der Anker 8 durch die Wirkung der
Rückstellfeder 12 vom
Ende 10 des Schenkels 14 ab.
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Die
Polfläche 14 des
Ankers 8 und die Fläche 10 des
Rückschlußeisens 1 werden
einer Behandlung unterzogen, um eine rauhe Oberfläche mit aufeinanderfolgenden
Senken zu erzielen, so daß der
Kontakt zwischen den beiden Flächen 10, 14 an den
hervorstehenden Spitzen erfolgt. Die Polfläche 9 des Rückschlußeisens
und die zugeordnete Polfläche
des Ankers 8 erfahren vorteilhaft die gleiche Behandlung.
Der Rauheitswert Ra, der gemäß französischer
Norm NF E05-15 der mittleren Profilhöhe oberhalb und unterhalb der
Mittellinie entspricht, ist größer oder
gleich 0,03 μ und
kleiner als 0,5 μ.
Diese Rauheit wird durch ein mechanisches Polieren der Polflächen 10, 14 erreicht.
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Der
Aufbau des Differentialschutzrelais sowie seine Funktionsweise sind
dem Fachmann gut bekannt.
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Erfindungsgemäß wird eine
Schutzbeschichtung auf Kohlenstoffbasis auf alle Flächen des
Magnetkreises des Rückschlußeisens 1 und
des Ankers 8 aufgebracht. Die Schutzbeschichtung aus DLC-Kohlenstoff
besteht aus einer gleichmäßigen Schicht
geringer Dicke, insbesondere von weniger als 1 μ, die sowohl gute Eigenschaften
bezüglich
der Härte
und der chemischen Trägheit
als auch einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist. Der DLC-Kohlenstoff
gehört
zur Gruppe der amorphen Kohlenstoffe, bei der eine Mischung aus
sp3- und sp2-hybridierten Kohlenstoffatomen in veränderlichen
Anteilen verwendet wird, wobei eine Struktur aus amorphen Formen
entsteht, die stufenlos von 100% sp3 bis 100% sp2 variieren kann.
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Die
Vickershärte
der Schutzbeschichtung aus DLC-Kohlenstoff kann 30 bis 70 GPa erreichen, und
der Reibungskoeffizient liegt bei etwa 0,10 bei einer Kraft von
5 N. Die Verschleißfestigkeit
der DLC-Beschichtung unter Reibungskoeffizient-Meßbedingungen
beträgt
etwa 1,8·10–9 mm3/Nm.
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Das
Vorhandensein eines solchen DLC-Kohlenstoffs auf den Polflächen 9, 10, 14 des
Rückschlußeisens 1 und
des Ankers 8 verhindert jegliche Korrosion innerhalb oder
in der Nähe
des Luftspalts. Die Beschichtung der mechanischen Anschlag- und Gelenkteile
des Rückschlußeisens 1 mit
dem gleichen Material verhindert jeglichen Verschleiß des Ankers 8 durch
Reibung bei wiederholtem Ansprechen des Relais.
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Die
große
chemische Trägheit
des DLC-Materials gegenüber
oxydierenden oder korrosiven Stoffen erlaubt einen wirksamen Schutz
des Relais gegen Korrosions- oder Oxydationswirkungen in chemisch
aggressiven Umgebungen, insbesondere in Salznebel, feuchter Wärme oder
in Umgebungen, die beispielsweise Chlor, Chlorwasserstoff, Schwefeldioxyd,
Stickoxyde oder Schwefelwasserstoff enthalten.
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Die
DLC-Kohlenstoffsbeschichtung kann in der Dicke gezielt mit spezifischen
chemischen Elementen, insbesondere mit Fluor, Bor, Silizium oder Stickstoff
angereichert werden, um ihr bestimmte Reibungs-, Härte oder
Benetzbarkeitseigenschaften zu verleihen. Durch das gezielte Einbringen
dieser chemischen Elemente läßt sich
eine optimale Haftung der DLC-Kohlenstoffbeschichtung auf der Eisen-Nickel-Legierung
aufgrund einer Reduzierung der mechanischen Beanspruchung am Übergang zwischen
Substrat und DLC-Kohlenstoff erzielen. Die Härte an der Oberfläche wird
ebenfalls erhöht.
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Das
Aufbringen der DLC-Kohlenstoffbeschichtung auf das Eisen-Nickel-Substrat
erfolgt mit Hilfe von physikalischen oder chemischen Vakuumverfahren,
die dem Fachmann gut bekannt sind. Dadurch entsteht ein gleichmäßiger Überzug ohne
Spitzenwirkung auf den Graten und Rauheitsspitzen der ferromagnetischen
Teile des Relais.
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Das
Vorhandensein der DLC-Kohlenstoffbeschichtung auf allen Flächen des
Relais bildet in Verbindung mit der Oberflächenrauheit der Polflächen eine
wirksame Korrosionssperre.