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Thermisches Schaltrelais, insbesondere zum Schalten von Tarifapparaten
od. dgl. Es ist bekannt. Doppeltarifzählwerke von Zählern durch Bi-Metallfedern,
die von dem Schaltstrom beheizt werden, umzuschalten. Solche Bi-Metallfedern arbeiten
aber nicht immer zuverlässig, da sie stets elastische Nachwirkungen haben, die beispielsweise
bewirken, daß eine erhitzte Bi: Metallfeder nach der Abkühlung auf die Au@sgangstemperatur
nicht mehr ganz in die Ausgangslage zurückkehrt. Auch müssen solche @B-i-Metallfedern
verhältnismäßig stark aufgeheizt werden, um nennenswerte Formänderungen zu erzielen.
Diese zusätzliche Erhitzung ist beispielsweise für Elektrizitätszähler, in deren
Gehäuse solche Doppeltarifzählwerke eingeschaltet sind, nachteilig, insbesondere
wenn diese Zähler nicht vollkommen temperaturkompensiert sind.
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Die 'Erfindung vermeidet solche Mängel. Erfindungsgemäß wird ein Dauermagnetrelais
mit durch den Relaissteuerstrom beheizter Wärmelegierung für solche u. ä. 'Schaltzwecke
verwendet. Die Wärmelegierung kann im Hauptschluß des Relaisankers liegen; so kann
z. B. )der Relaisanker selbst ganz oder teilweise aus einer Wärmelegierung bestehen.
In diesem Falle ist .der Anker bei abgeschalteter Heizwicklung angezogen. Wird die
Wärmelegierung :durch den Steuerstrom beheizt, dann läßt das Relais den :Anker los
und führt dadurch irgendeine Schaltung aus. Wird der Steuerstrom wieder
abgeschaltet,
dann kühlt sich die Wärmelegierung wieder ab, und der Anker kehrt in die Ausgangslage
zurück. Diese Arbeitsweise ist darauf zurückzuführen, daß die Wärmelegierung eine
stark von, der Temperatur abhängige magnetische Leitfähigkeit hat. Während sie sich
im kalten Zustand der Leitfähigkeit des Eisens nähert, wird sie im warmen Zustand
unmagneti.sch. Je nach der Zusammensetzung, der mechanischen und thermischen Vorbehandlung
der Wärmelegierung liegt der Curie-Punkt bei höheren oder tieferen Temperaturen.
Der Erfindung kommt dabei besonders zustatten, daß ohne Schwierigkeiten der Umwandlungspunkt
auch in Temperaturbereiche verlegt werden kann, die nur wenig höher liegen als die
maximale kauintemperatur. Man kommt deshalb mit geringer Aufheizung aus und vermeidet
dadurch eine störende Erwärmung der mit dem Relais zusammengebauten Zähler od. dgl.
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Man kann aber auch die Wärmelegierung im \ebenschluß zum Anker anordnen.
Im kalten Zustand hält dann die Wärmelegierung den Fluß vom Anker fern, und der
Anker ist nicht angezogen; im warmen Zustand treten mehr und mehr Kraftlinien nach
dem Anker hinüber, mit der Folge, daß dieser angezogen wird. Unter Umständen kann
man das Relais nach Art eines Differentialrelais mit zwei Ankern ausführen, die
verschiedenartig durch die Wärmelegierung beeinflußt werden.
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Zur Erzeugung der Magnetkraft kann man einen Elektromagneten verwenden.
Vorteilhafter ist es jedoch, einen Dauermagneten zu benutzen, um die Magnetwicklung
einzusparen und um eine zusätzliche Erwärmung durch den Magnetisierungsstrom zu
vermeiden. Am besten verwendet man Hochleistungsdauermaglieten, die bei geringem
Raum-und Materialbedarf ohne weiteres genügend starke Magnetkräfte erzeugen. Derartige
Schaltrelais benötigen sehr wenig Platz und lassen sich bequem in die verschiedenen
Geräte einbauen. Ini Gegensatz zu dem bekannten Bi-Metallfederrelafs arbeitet das
Magnetrelais mit einer durch den Steuerstrom geheizten Wärmelegierung nicht schleichend;,
sondern schlagartig. Die Schaltbewegungen werden dadurch bestimmter und ausgeprägter,
und es wird ein längeres Verweilen des Relais in Zwischenstellungen vermieden. Dies
ist besonders bei Umschaltung von Getrieben in Tarifapparaten od.:dgl. von Vorteil,
weil sich in Zwischenstellungen leicht unbestimmte Schaltzustände, Kleinmungen od.
dgl. ergeben. Namentlich bei Anwendung von Hochleistungsmagneten entwickeln solche
Relais verhältnismäßig hohe Schaltkräfte, so daß ein sicheres Schalten gewährleistet
ist. Ganz besonders fällt aber ins Gewicht, daß solche Relais bequem auf die verschiedensten
Ansprechtemperaturen einstellbar sind und daß man die Wahl hat, bei der Einstellung
entweder die Magnetkraft, die auf den Anker wirkende Rückzugskraft oder die Wärmelegierung
zu ändern. Die einmalige Einstellung behält :das Relais auch bei längeren Betriebszeiten
und starker Beanspruchung vollkommen bei. Nachträglich auftretende selbsttätige
Änderungen in den Ansprechverhältnisseii. ` wie sie sich bei Verwendung von Bi.
Metallfedern ergeben, sind ausgeschlossen.
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Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Den Polen des Hochleistungsdauermagneten i (Fig. i), der aus einem
geschlitzten Ringkörper besteht, steht der Anker :2 mit der Heizwicklung 3 ' gegenüber.
Der Anker 2 besteht aus einer Wärmelegierung und ist an einem doppelarmigen Hebel
q. gelagert, der mittels eines Lenkers 5 irgendein Gerät steuert. Eine Feder 6,
deren Kraft durch Verschieben der Lasche 7 eingestellt werden kann, sucht den Anker
2 vom Magneten i abzuziehen. Der Ankerhub ist ,durch die einstellbaren Anschläge
8, 9 begrenzt. In .dem Schlitz ,des Dauermagneten befindet sich ein weiterer Wärmelegierungsteil
io. Er dient zur Kompensation der Einflüsse der Raum-` temper aturschwankungen und
arbeitet folgendermaßen: Bei niedrigen Raumtemperaturen ist die magnetische Leitfähigkeit
des Ankers 2 groß. Damit der Anker nicht mit zu großer Kraft vom Magneten i gehalten
wird, muß die Magnetkraft geschwächt werden. Dies besorgt die im Nebenschluß liegende
Wärmelegierung io, die bei niedriger Raumtemperatur ebenfalls eine verhältnismäßig
große magnetische Leitfähigkeit hat und deshalb den Dauermagneten zum Teil kurzschließt.
Bei höherer Raumtemperatur geht die magnetische Leitfähigkeit des Ankers 2 zurück.
Es würde also die Gefahr bestehen, daß der Anker vom Magneten nicht genügend festgehalten
wird. Die Zugkraft,des Magneten muß also verstärkt werden. Dies geschieht selbsttätig
durch die Wärmelegierung io, die bei höherer Raumtemperatur magnetisch weniger leitet,
so daß also der teilweise magnetische Kurzschluß bei hoher Temperatur mehr und mehr
verschwindet und immer mehr Kraftlinien in den Anker 2 übergehen. Durch richtige
Bemessung und Abgleichung der Wärmelegierung io läßt sich unschwer der -E.influß
der Raumtemperatur auf das Magnetrelais beseitigen.
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Die Heizwicklung 3 ist über den Steuerschalter i i an eine Stromquelle
12 angeschlossen. Der Schalter i i kann beispielsweise von einer Schaltuhr zu bestimmten
Tagesstunden betätigt werden. Wird dieser Schalter geschlossen, -dann heizt die
Wicklung 3 den Anker 2 auf, der dadurch unmagnetisch wird. Die Feder 6 entfernt
dann den Anker von dem Anschlag 8 und bringt ihn zum Anschlag 9. Dadurch wird der
gewünschte Schaltakt ausgeführt. Solange der Anker :2 beheizt ist, verbleibt er
in der Abreißstellung (Anschlag 9). Wird durch öffnen des Schalters i i die Heizwicklung
3 abgeschaltet, dann kühlt sich der Anker 2 wieder ab und wird wieder an den Magneten
z herangezogen.
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Soll nach dem Schließen des Schalters i i das Relais fortgesetzt hin
und her schalten, dann kann man, wie in Fig. i gestrichelt angedeutet, im Bereich
der (Abreißstellung des Ankers eine Wärmeableitung 13 anbringen, die dem Anker die
Wärme entzieht. -Infolge der Abkühlung kehrt dann der
Anker auch
bei Einschaltung der Heizwicklung 3, die in diesem Falle ortsfest angeordnet sein
kann, wieder zum Magneten i zurück. Dort wird der Anker neu aufgeheizt und wird
-dadurch wieder vom Magneten abgezogen. Nach abermaliger Abkühlung durch den Teil
13 kehrt er wieder zu dem Magneten zurück. Er bewegt sich also, solange der Schalter
i i eingeschaltet ist, dauernd hin und her und kann beispielsweise zur schrittweisen
Fortschaltung eines Klinkwerkes 1.4 dienen. Dias Relais wirkt dann wie ein Motor.
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Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 2. Hier ist die Wärmelegierung
15 ortsfest angebracht, der Magnet i aber beweglich an einem Schalthebel 16 gelagert,
dessen Gewicht die Magnetpole von der Wärmelegierung 15 wegzuschwenk en sucht. 17
ist ein umschaltbares Doppeltarifzählwerk für Elektrizitätszähler mit den Antriebsrollen
18, i9 für die beiden Zählwerke. Mit den Antriebsrollen kann das mit dem Zähler
durch ein Zwischengetriebe verbundene Ritzel 2o abwechselnd .durch Schwenkung des
Hebels 16 in und außer Eingriff gebracht werden. Die Welle 21 des Ritzels ist an
dem Hebel 16 gelagert. Der Heizwicklung 3 ist ein Widerstand 22 vorgeschaltet, der
durch den von dem Hebel 16 gesteuerten Schalter 23 überbrückt werden kann.
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In der gezeichneten Stellung ist der Schalter i i geschlossen. Die
durch die Wicklung 3 aufgeheizte Wärmelegierung 15 ist unmagnetisch. Die Magnetpole
wurden infolgedessen durch das (Gewicht des Hebels 16 von der Wärmelegierung 15
abgezogen, und der Hebel hat den Schalter 23 geöffnet und dadurch der Heizwicklung
3 den Widerstand 22 vorgeschaltet. Der Zähler ist jetzt über das Ritzel 2o mit dem
unteren Zählwerk gekuppelt.
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Wird durch öffnen des Schalters i i die Heizwicklung 3 abgeschaltet,
dann kühlt sich die Wärmelegierung i5 ab und zieht die Magnetpole an. Der Arm 16
legt sich gegen den Anschlag 8, kuppelt das obere Zählwerk mit dem Zähler und schließt
den 'Schalter 23.
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.Bei erneutem Wiederschließen des Schalters i i ist der Widerstand
22 überbrückt, die Wicklung 3 wird also kräftig aufgeheizt. und der Arm 16 gelangt
wieder in die gezeichnete Stellung, in der er die Überbrückung des Vorwiderstandes
22 aufhebt. 'Dadurch wird der Heizstrom der Wicklung 3 auf das für die Warmhaltung
der Wärmelegierung 15 erforderliche Maß herabgesetzt.
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Die thermische Wirkungsweise ist aus Fig. 3 ersichtlich, die in Abhängigkeit
von der Zeit t den Verlauf der Temperatur T der Wärmelegierung 15 darstellt. Die
Kurve 24 gibt den Temperaturverlauf bei überbrücktem Vorwiderstand 22 wieder. Bei
nicht überbrücktem Vorwiderstand verläuft die Temperatur nach der Kurve 25.
AA ist die Temperaturgrenze, bei der die Wärmelegierung die Magnetpole losläßt,
BB die Temperaturgrenze, bei der die Wärmelegierung die Pole wieder anzieht. Da
die Kurve 24 steil verläuft, wird beim Schließen des Schalters i i in einer verhältni,smäßtig
kurzen Anheizzeit t, die Temperaturgrenze AA erreicht. Da in diesem Augenblick
auch der Widerstand 22 vorgeschaltet wird, geht von adergenannten Grenze an der
Temperaturverlauf längs der gestrichelt angedeuteten Abkühlungskurve 26 in die Endtemperatur
der Kurve 25 über. Da diese noch über der Grenze BB liegt, kann die Wärmelegierung
die Magnetpole nicht an sich heranziehen. Erst wenn der Heizstrom durch öffnen des
Schalters i i unterbrochen wird und die Temperatur der Wärmelegierung entsprechend
der Abkühlungskurve 27 unter die Linie RB sinkt, werden die Magnetpole wieder angezogen.
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Man kann aber auch den Widerstand 22 so abgleichen, .daß sich bei
vorgeschaltetem Widerstand ein Temperaturverlauf nach der Kurve 28 .ergibt, deren
Endtemperatur knapp über -der Grenze AA
liegt. Derartige Maßnahmen gestatten
einerseits, durch rasches Aufheizen der Wärmelegierung das Relais rasch zum Ansprechen
zu bringen, und vermeiden andererseits das Auftreten störend hoher Temperaturen
im Einschaltzustand des Relais. Um betrügerische Beeinflussungen des Relais, beispielsweise
durch Anheizen des Zählergehäuses, zu vermeiden, kann man den für den Verbraucher
ungünstigsten Tarif mit dem Einschaltzustand der Heizwicklung 3 zusammenfallen lassen.
Durch Anheizen des Zählergehäuses kann nun der Verbraucher nur .den für ihn ungünstigen
Tarif herbeiführen. Statt dessen kann man auch das Zählergehäuse mit einem genügend
temperaturempfindlichen Lackanstrich od. dgl. versehen oder andere Mittel verwenden,
die eine künstliche Aufheizung des Gehäuses von außen erkennbar machen. Der Temperaturverlauf
der Wärmelegierung kann ohne Schwierigkeiten den verschiedenen Verhältnissen angepaßt
werden. Wenn das Relais wie bei Fig. 2 und 3 möglichst rasch ansprechen soll, d
-ann ist dafür zu sorgen, daß es stark angeheizt wird und seine thermische Trägheit
klein ist. Letzteres läßt sich leicht dadurch erzielen, daß man der Wärmelegierung
eine kleine Masse gibt, die Wärmeleitung von der Heizwicklung her so groß wie möglich
macht, während rnan Wärmeableitungen im die Umgebung verhindert. Soll das Relais
träge arbeiten, dann kann man die Heizung herabsetzen, die Wärmeleitung zwischen
Heizwicklung und Wärmelegierung verschlechtern, die Masse der Wärmelegierung vergrößern
oder ihr eine größere als Wärmekapazität wirkende Masse' angliedern. Auch kann man
die Wärmeableitungen nach der Umgebung erhöhen. Man kann aber auch beim Hin- und
Rückgang des Relais verschiedene Relaischarakteristiken erzielen, wenn man durch
die Anker- oder die Magnetbewegung wie bei Fig. 2 die Heizung umschaltet oder wie
bei Fig. i die Ableitung oder die thermische Trägheit ändern läßt.
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Eine Änderung der Trägheit ergibt sich bei.spielsweise, wenn sich
in der einen Ankerstellung der Anker an eine Masse anlehnt, in eine Wärmeisolierung
gelangt od. dgl. So läßt sich z. B. erreichen, däß das Relais nach der einen Richtung
hin rasch anspricht, nach der anderen aber mit Verzögerung arbeitet, oder umgekehrt.
Auf diese Weise läßt sich
die Arbeitsweise des Relais leicht,den
verschiedenen Verhältnissen anpassen.
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In Fig. 4 besteht der Anker :2 :aus Eisen. Mit dem Dauermagneten i
ist eine Wärmelegierung 29 mit Heizwicklung 3 verbunden und ein als magnetischer
Rückschluß dienender Eisenteil 30.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Wärmelegierung 31
im Nebenschluß zum Anker angeordnet ist, bei dem also der Anker 2 bei höheren Temperaturen
angezogen wird.
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Wie Fig. 6 zeigt, kann das Relais auch als Kipprelais ausgeführt werden.
Der schwenkbar gelagerte Magnet i hat hier zwei Schaltarme 32, 33, die mit den Schaltern
34, 35 für die Heizwicklung 36, 37 der Wärmelegierungen 38, 39 zusammenarbeiten.
Die beiden Wärmelegierungen sind durch den Wärmeisolator 40 voneinander getrennt.
Zwecks besserer Abkühlung sind sie mit Kühlrippen 41 versehen. Der Steuerschalter
i i hat hier zwei Schaltkontakte 42, 43. An einer Kurbel 44 der Schaltarme
32, 33 greift eine Labilfeder 45 an.
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Das Kipprelais arbeitet folgendermaßen: Wird der Schalter i i auf
den Kontakt 43 umgelegt, dann wird die Heizwicklung 36 eingeschaltet, die Wärmelegierung
38 wird aufgeheizt und urmagnetisch. Infolgedessen wandern die Pole des Magneten
i unter Schwenkung der Arme 32, 33 zu der kalten Wärmelegierung 39 hinüber. Dadurch
wird der gewünschte Schaltakt ausgeführt, und gleichzeitig wird durch Öffnen des
Schalters 35 die Heizwicklüng 36 abgeschaltet. Wenn sich nun auch die Wärmelegierung
38 wieder abkühlt und wieder magnetisch wird, so wandern doch die Magnetpole nicht
zu ihr zurück, da sie einerseits durch die Wärmelegierung 39 magnetisch und durch
die in die gestrichelte Lage gelangte Labilfeder 45 mechanisch zurückgehalten werden.
Hat das Schaltrelais keine größere äußere Gegenkraft zu überwinden, dann kann auch
die Labilfeder 45 weggelassen werden, weil die Zugkraft der Wärmelegierung 39 ausreicht.
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Wird der Schalter i i auf den Kontakt 42 umgelegt, dann wird die Heizwicklung
37 über den beim vorherigen Ansprechen geschlossenen Schalter 34 eingeschaltet.
Die Wärmelegierung 39 wird unmagnetiseh, und der Magnet kippt wieder in die gezeichnete
Stellung zurück, in der er durch Öffnen des Schalters 34 die Heizwicklung 37 abschaltet.
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Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, daß die Wärmelegierungen
immer nur vorübergehend aufgeheizt zu werden brauchen. 'Es wird also an Steuerenergie
gespart, auch wird eine störende Aufheizung der Umgebung vermieden.
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Während die vorher geschilderten Ausführungsbeispiele Relais zeigen,
die von selbst in die Ausgangslage zurückkehren, zeigt die Fig.7 ein Relais, das
in der Ansprechstellung bleibt und nur von Hand oder in anderer Weise wieder in
die Ausgangsstellung zurückgebracht werden kann. Das Relais kann beispielsweise
zur Betätigung von Fallkörpern, Fernrufanlagen usw. verwendet werden. In der Ansprechstellung
erscheint der beispielsweise rot gefärbte Ankerhebel hinter der Öffnung 46 einer
Blende 47. 48 .ist ein von Hand betätigter Teil, durch den der Anker in die Ausgangslage
zurückgebracht werden kann.