-
Überstromrelais Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schutzvorrichtung
und insbesondere auf ein thermischmagnetisches Überstromrelais.
-
Das erfindungsgemäße Relais ist sowohl für Gleichstrom- als auch für
Wechselstrombetrieb geeignet und schützt sowohl gegen mäßige als auch sehr starke
Überlastungen. Das Relais spricht bei andauernden schwachen Überströmen thermisch
an, während es bei starken Überströmen magnetisch in kürzester Zeit ausgelöst wird.
Es besitzt ferner den Vorzug, daß es über einen weiten Strombereich einstellbar
ist, so daß es zum Schutz von elektrischen Apparaten benutzt werden kann, die für
sehr verschiedene Stromstärken ausgelegt sind. Einweiterer Vorteil liegt in dem
einfachen Aufbau des Relais.
-
Erfindungsgemäß besteht das Relais aus einem magnetischen Kern und
einem magnetischen Anker und besitzt eineErregerwicklung aus einem thermomagnetischen
Material. Die Wicklung ist so. angeordnet, daß sie den Hauptteil des .Ankerflusses
nebenschließt. Das zur Verwendung gelangende thermomagnetische Material weist die
Eigenschaft auf, daß mit einer durch den Überstrom bedingten Zunahme der Temperatur
seine Permeabilität stark abnimmt. Infolge der damit verbundenen Zunahme des Widerstandes
des magnetischen Nebenschlußweges wird der Hauptteil des Magnetflusses gezwungen,
seinen Weg durch den Relaisanker zu nehmen, der infolgedessen von dem Kern angezogen
wird und dabei einen Stromunterbrecher betätigt. Um ein schnelles Ansprechen des
Relais bei Auftreten eines sehr starken Überstromes zu erleichtern, kann die Anordnung
so getroffen werden, daß ein Teil des Kernes eine Querschnittsverringerung aufweist,
wie im einzelnen noch dargelegt werden wird.
Die Erfindung soll
an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
-
Es bedeutet io den magnetischen Kern des Relais, i i einen mit dem
Kern verbundenen magnetischen Schenkel oder Rahmen und 12 einen Anker, der auf dem
Schenkel drehbar gelagert ist und durch eine Feder 13 so gespannt ist, daß er die
in der Zeichnung dargestellte Ruhestellung einnimmt, d. h. von dem Magnetkern absteht
und die Kontakte i9 und 2o schließt.
-
Auf dem Kern iö ist eine Erregerwicklung 14 angebracht. Der magnetische
Rahmen i i besteht aus einer Grundplatte und zwei parallel zum Kern verlaufenden
Seitenteilen und bildet so einen Rückflußweg für den den Anker durchsetzenden Fluß.
Falls erwünscht, können die Seitenteile des magnetischen Rahmens i i auch ringförmig
aus-,gestaltet werden, derart, @daß die Erregerwiicklung ganz von ihnen umiscblossenr
wird; jedoch ist dies für die Durchführung des Erfindungsgedankens nicht unbedingt
erforderlich.
-
Zwecks Lagerung des Ankers 12 kann, wie in der Zeichnung dargestellt,
der eine Schenkel i i an seinem oberen Erde in eine scharfe Kante 15 auslaufen.
Die Feder 13, die dazu dient, den Anker in einer Stellung zu halten, in der er-
vom Kern getrennt ist, ist einerseits am Anker 12 und andererseits an einem Winkel
16, der von dem Schenkel ii getragen wird, befestigt. Um das Relais auf die normale
Stromstärke einzustellen, ist die Stellschraube 17 vorgesehen, die durch die Halterung
i8 getragen wird. Die Halterung 18 kann an dem Rahmen i i befestigt sein. Der Anker
12 trägt ein oder mehrere Kontakte i9, die mit einem oder mehreren festen. Gegenkontakten
2o zusammenwirken. Diese Kontakte dienen dazu, in bekannter Weise den Schutzkreis
zu steuern. In der Zeichnung ist als Beispiel der Fall dargestellt, daß die Kontakte
i9 und 2o in der Ruhestellung des Relais geschlossen sind. Aber es kann die Anordnung
auch so gewählt werden, daß der feste Kontakt 2o mit dem beweglichen Kontakt i9
in Berührung kommt, wenn der Anker 12 angezogen wird.
-
Die Erregerwicklung 14 wird von dem Strom des zu schützenden elektrischen
Kreises durchflossen. Sie besteht aus vorzugsweise bandförmnigem, thermomagnetischem
Material, das hochkant auf den Kern io gewickelt ist. Der Durchmesser der Wicklung
ist vorzugsweise so gewählt, daß sie im wesentlichen den ganzen Raum. zwischen dem
Kern und dem Rahmen i i ausfüllt. Dadurch entsteht ein magnetischer Nebenschluß,
indem die Kraftlinien radial durch die Windungen der Spule verlaufen. Die Wicklung
14 kann mit einer dünnen Lage Isoliermaterial, in der Zeichnung nicht dargestellt,
umgeben sein, um sie von dem Kern io und den Schenkeln i i zu isolieren.
-
Erfindungsgemäß besteht die Wicklung 14 aus einer Legierung, die eine
merkliche Permeabilität mit einem großen Temperaturkoeffizienten besitzt, derart,
daß die Permeabilität sich schon bei geringen Temperaturänderungen stark ändert.
Derartige Legierungen sind als Curie-Metalle bekannt. Vorzugsweise eignen sich solche
Legierungen, die bei normalen Temperaturen eine merkliche Permeabilität besitzen
und bei Erhitzung auf etwa ioo bis i5o° C im wesentlichen unmagnetisch werden. Legierungen
mit diesen Eigenschaften werden im Sinne der Erfindung als thermomagnetisches Material
bezeichnet.
-
Soll das erfindungsgemäße Relais für sehr hohe Ströme ausgelegt werden,
so empfiehlt es sich, die Erregerwicklung aus einem Bimetallstreifen herzustellen,
der aus einem thermomagnetischen Teil 14a und einem elektrisch gut leitendenTeil
i4b, z. B. ,aus Kupfer, besteht. Die Bimetallsgule kann in ,der Weise hergestellt
werden, daß eine Spule aus thermomagnetischem Material kupferplattiert wird. Auf
diese Weise kann der Gesamtwiderstand der Spule leicht auf einen passenden Wert
gebracht werden.
-
Wird das Relais, nun in Betrieb genommen, so erzeugt der die Erregerwicklung
durchfließende Strom einen Magnetfluß in dem magnetischen Kern io. In einem gewöhnlichen
Relais würde der magnetische Kreis einfach durch die Schenkel i i und den Anker
12 geschlossen. Bei dem erfindungsgemäßen Relais ist jedoch die Permeabilität der
hochkant gewickelten Spule 14 aus thermomagnetischem Material so groß, daß bei normaler
Betriebstemperatur die Spule 14 einen magnetischen Nebenschluß darstellt, indem
sich die Kraftlinien vom Kern io aus radial durch die Windungen zum Rahmen ii hin
schließen.
-
Tritt nun ein mäßiger Überstrom auf, so erwärmt sich die Wicklung
14 allmählich bis auf eine Temperatur, bei der das thermom.agnetische Material im
wesentlichen: unmagretisch wird,- so daß die Wicklung keinen magnetischen Nebenschluß.
m@eh@r darstellt. Der nunmehr vom Anker 12 zur Polfläche 2,1 des. Kernes io verlaufende
Kraftfluß bewirkt eine magnetische Anziehung, so daß sich der Anker entgegen der
Federkraft der Feder 13 auf den Kern zu bewegt. Diese Anziehung erfolgt mit einer
zeitlichen Verzögerung nach dem Einsetzen des Überstromes. Bei einem dauernden Überstrom
geringer Stärke ist diese Verzögerung abhängig von der Stromstärke in der Weise,
daß das zur Entmagnetisierung der Spule benötigte Zeitintervall um so geringer wird
je größer der Überstrom ist. überstrom und Verzögerungszeit stehen also im umgekehrten
Verhältnis zueinander.
-
Tritt ein plötzlicher starker Übe-rstrom auf, der z. B. 30o bis 500°/a
des normalen Stromes beträgt, so wird der radial durch die Wicklung 14 verlaufende
magnetische Nebenschlußweg .gesättigt, und ein merklicher Teil des Flusses wird
gezwungenermaßen seinen Weg durch den Anker 12 nehmen und den Anker zur Anziehung
bringen noch bevor sich die thermomagnetische Wicklung erhitzt hat. Das Relais verliert
in diesem Falle seine thermisch bedingte Zeitabhängigkeit und spricht infolge der
Sättigungserscheinung praktisch ohne Verzögerung an, d. h. bevor noch die Entmagnetisierungstemperatur
erreicht ist. Bei einem Relais. vorgegebener Abmessungen tritt dieser Fall des
momentanen
Ansprechens bei einer solchen Stärke des Überstromes ein, die ausreicht, um durch
den Anker r2 den zur Anziehung nötigen Kraftfluß zu treiben ohne daß erst eine Erhitzung
der- Wicklung 1q. eintritt. Der Wert dieser Stromstärke ist gegeben durch die Größe
und Sättigungsfähigkeit der Wicklung 1q., die Sättigungsfähigkeit des Kernes io
und die Länge der Luftstrecke zwischen Kern und Anker, er hängt jedoch nicht von
dem elektrischen Widerstand der Spule 14 ab, so. daß die Anbringung einer Kupferplattierun.g
in dieser Beziehung keinen Einfluß hat.
-
Es hat sich herausgestellt, daß es nicht leicht ist, bei Verwendung
eines massiven Magnetkernes den Strombereich für ein thermisch verzögertes Ansprechen
auf .einen höheren Wert als etwa 2;5o bis 300°/o des normalen Stromes zu bringen.
Soll das Relais seine Funktion als thermisch verzögertes Relais z. B. bis zu Stromstärken
bis herauf zu 500% des normalen Stromes beibehalten-, so empfiehlt es sieh, die
Querschnittsfläche des, Kernes io in der Nähe der Polfläche 2m merklich. zu verringern.
Zu diesem Zweck kann der Kern in dem Bereich 22 mit einer zentrischen Bohrung versehen
werden. Eine solche Querschnittsverminderung zieht eine Sättigung des Kernes in
der Umgebung der Polfläche 21 nach sich, und das wiederum setzt die Wirkung der
in dem. thermomagnetischen Material der Erregerwicklung eintretenden Sättigung herab.
Wenn z. B. bei einem massiven Kern ein Überstrom von 3o0% ausreichen würde, um den
Nebenschlußweg der Spule i¢ so weit zu sättigen, daß genügend Kraftlinien ihren
Weg durch den Anker nehmen, um ihn zur Anziehung zu bringen, so wird bei dem gleichen
Überstrom, für den Fall, daß gleichzeitig eine Sättigung des hohlen Magnetkernes
vorhanden ist, der durch den Anker verlaufende Kraftfluß geringer sein, da mehr
Kraftlinien durch den nur teilweise gesättigten Nebenschlußweg verlaufen werden.
Der zum momentanen Ansprechen nötige Strom wird also bei einem höheren Wert liegen,
wenn dafür gesorgt wird, daß die Spitze des Kernes gesättigt ist.
-
Der Kupferteil iqP der Erregerwicklung 1q. läßt einen höheren Wert
für den normalen Betriebsstrom zu, da hierdurch der Gesamtwiderstand der Wicklung
verringert wird. Wie sich herausgestellt hat, wird dadurch die Ansprechzeit bei
höheren überströmen etwas vergrößert, da die in dem Kupferteil entwickelte Wärme
eine gewisse Zeit benötigt, um auf das thermomagnetische Material überzugehen. Der
Kupferteil der Spule wirkt also sozusagen wie eine Parallel- oder Nebenheizung für
den thermomagnetischen Teil.
-
Das in der Zeichnung dargestellte Relais ist so gebaut, daß es selbsttätig
in seine Ruhestellung zurückgeht, sobald der Strom und damit die Temperatur in der
Spule 14 den normalen Wert wieder angenommen haben. Der Stromwert, bei dem die Ruhestellung
eingenommen wird, kann dadurch festgelegt werden, daß entweder der Kern io oder
der Anker 12 mit einem einstellbaren Anschlag versehen ist, so daß die Luftstrecke
zwischen dem Anker in der angezogenen Stellung und der Polfläche 2i eingestellt
werden kann.
-
Falls es erwünscht ist, daß nach Auftreten eines Überstromes der Anker
erst durch Handbetätigung in seine Ruhestellung zurückgebracht wird, kann zu diesem
Zweck eine Klinkvorrichtung vorgesehen werden, in die der Anker schnappt und damit
in seiner angezogenen Stellung gehalten wird, bis die Klinke gelöst wird.