DK160380B - Jaevnstroemselektromagnet, navnlig til et elektrisk omskifterapparat - Google Patents

Description

i

DK 160380 B

Den foreliggende opfindelse angår en jævnstrømselektromagnet, navnlig til et elektrisk omskifterapparat, omfattende et magnetiserbart åg i form af en potte med en central kerne, en spole anbragt i denne potte koncentrisk med kernen, og et bevægeligt anker, der er 5 underkastet virkningen af en returfjeder, og hvis periferi pol flader, der har en form, som forøger deres størrelser, samvirker med flader, der har samme form anbragt på et ringformet skørt på potten over en arbejdsluftspalte, som er anbragt magnetisk i serie med en central luftspalte, som lukker fluxen.

10 Sådanne elektromagneter, der f.eks. kendes fra fransk patent skrift nr. 1.051.651, har fordele og ulemper, som brugeren må stille sig tilfreds med, når han tilsigter at anvende dem indenfor særlige områder. Blandt fordelene skal nævnes, at overfladerne af de to luftspal ter samtidig deltager i frembringelsen af den indledende 15 returkraft. På grund af forholdet mellem overfladerne af disse to luftspalter på den ene side og på grund af tilstedeværelsen af to luftspalter i serie i det magnetiske kredsløb på den anden side har det imidlertid vist sig, at begyndelsesfluxen ikke er særlig stor, og selv om induktionen er relativt høj i kernen, forbliver dens 20 værdi på den periferiske luftspalte lav, så at begyndelsestrækkraften for givne amperevindinger ikke kan nå værdier af interesse, eller for at opnå disse værdier bliver det nødvendigt at forøge rumfanget af spolen.

En sådan ulempe findes ligeledes ved de i FR patentskrift nr.

25 615.035 beskrevne elektromagneter, som omfatter et åg i form af en potte med en central kerne og et bevægeligt anker, der har en central del, der sammen med den nævnte kerne afgrænser en central arbejdsluftspalte, og en periferi flade, som samvirker med en periferiflade på åget for at danne en fluxreturluftspalte, hvori 30 flux!i ni erne er rettet radialt.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en elektromagnet af den ovennævnte generelle konstruktion, hvor der er truffet sådanne foranstaltninger, at amperevindinger med lille værdi (eller med andre ord en lille spolemagnetiseringseffekt) er i stand 35 til at bibringe ankeret en større begyndelsestiltrækningskraft, end den der opnås med den kendte teknik, når ankerets vandring og rumfanget af elektromagneten er praktisk taget fastlagt på forhånd.

Ifølge opfindelsen opnås dette ved, at fluxlukkeluftspalten har et stort areal og en lille reluktans i forhold til reluktansen, som

DK 160380 B

2 frembydes af arbejdsluftspalten, når den er åben, og omfatter cylindriske overflader parallelle med ankerets bevægelsesretning, så at lukkeluftspal tens reluktans i det væsentlige ikke påvirkes af denne bevægelse.

5 Fra eksempelvis tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.097.563 kendes en jævnstrømselektromagnet, hvor en central fluxlukkeluftspalte med overflader, der er parallelle med ankerets bevægelsesretning, er anbragt magnetisk i serie med to sidearbejdsluftspalter, hvis overflader er skråtstillet i forhold til den nævnte retning. Da det 10 her anvendte magnetiske kredsløb har den sædvanlige form med to. E-formede elementer, kan det ses, at ikke blot kan de fordele, som tilvejebringes af den foreliggende opfindelse ikke opnås i dette tilfælde, men at forsøg på at opnå disse fordele ved at give elementerne i den magnetiske kreds en omdrejningsform endvidere være 15 dømt til at slå fejl på grund af de respektive proportioner, som disse to luftspalter indledningsvis har. Et sådant forsøg ville endvidere være konstruktivt i modstrid med placeringen af de deri beskrevne styre-og transmissionsorganer.

I en af de foreslåede udførelsesformer, hvor 1ukkeluftspalten 20 er anbragt udenfor spolen, kan reluktansen af lukkeluftspol en, som skulle begunstige en høj flux, ikke tilvejebringe en væsentlig forbedring af begyndelsestiltrækningskraften, for såvidt som pol-fladerne i arbejdsluftspalten ikke kan overstige en vis værdi uden at forårsage en tilsvarende forøgelse af spolens rumfang, og for 25 såvidt som de overlappende overflader af lukkeluftspalten er små.

I en anden foreslået udførelsesform, hvor arbejdsluftspalterne er placeret udenfor spolen, og hvor lukkeluftspalten er placeret inden i den, er værdien af begyndelsesreluktansen meget høj på grund af, at de mod hinanden vendende bevægelige overflader i 1ukkeluft-30 spalten er extremt reduceret. Endvidere vil en eventuel forøgelse af deres overlapning forårsage en betydelig reduktion i slaglængden, hvilket ville modvirke de formål, som foreslås opnået med mekanismen i forbindelse med denne elektromagnet.

Endelig kan det i de to udførelses former bemærkes, at den 35 frihed, som skal gives de to bevægelige elementer af ankeret, såvel som det rum, som kræves for passagen af en transmissionsaksel, reducerer amperevindingerne, som tilføres dette kredsløb, i en sådan grad, at udfyldningskoefficienten for vinduet i dette tilfælde ikke kan overstige 30%.

DK 160380 B

3 På det foreliggende tidspunkt opstår problemet med i et lille rumfang, der sædvanligvis optages af en lille vekselstrømskontak-torelektromagnet, at rumme en jævnstrømsfødet elektromagnet, hvis forbrug er meget lille (eller i al fald tæt på forbruget af et 5 signal relæ), så at sådanne elektromagneter kan strømforsynes i stort antal af udgangstrinnene af moderne elektroniske databehandlingsapparater, som f.eks. programmerbare styreenheder.

Vanskelighederne ved løsning af dette problem kan indses, når man ved, at sådanne små kontaktorer skal være i stand til samtidigt 10 at lukke på den ene side tre effektafbrydere, hvor kontakttrykkræf-terne undertiden vil skulle tillade strømforsyning af motorer, hvis effekt er af størrelsesordenen 1,5 kW ved 220 volt, og hvis ar-bejdsslag skal være tilstrækkelige til om nødvendigt at sikre god isolation for forsyningsspændinger af størrelsesordenen 600 volt, og 15 på den anden side op til tre hjælpesignal afbrydere. Det er endvidere kendt, at det er vanskeligt at fremstille to elektromagneter med det samme rumfang med ens ydelser, hvoraf den ene forsynes med vekselstrøm og den anden med jævnstrøm, i betragtning af de betydelige fysiske forskelle, som findes mellem deres respektive funktio-20 ner.

Disse data kan f.eks. specificeres ved at konstatere, at når det fastlagte rumfang er mindre end 20 cm , når isolation således som nævnt ovenfor kræver åbningsvandringer på 3 til 4 mm, når et tryk af størrelsesordenen 250 gram på lukkede kontakter er påkrævet 25 på grund af tilstedeværelsen af de ovennævnte afbrydere, og når en effekt på 0,5 W til forsyning af spolen for tiden er et formål, som tilstræbes af konstruktører, er der kun 130 amperevindi nger til rådighed for elektromagneten til at frembringe en tiltrækningskraft af størrelsesordenen 100 cN (selv når et spændingsfald eller en høj-30 temperaturstigning optræder), så at behovet for at holde enheden af bevægelige masser i deres hvilestilling er sikkert opfyldt.

Endvidere betyder de moderne tendenser til at reducere tekniske montageomkostninger og til at forøge pålideligheden, at det er ønskeligt direkte til kontakterne, dvs. uden bevæge!sesmultiplika-35 tionsorganer, at overføre bevægelserne, som udføres af elektromagnetens anker.

I kontaktorer af denne type, hvor antallet af operationer kan nå meget høje tal, er det nødvendigt at reducere beskadigelse og slid, som gentagne slag af ankeret på det faste åg kan forårsage.

DK 160380 B

4 I en fordelagtig udførelsesform ifølge opfindelsen, hvor reduktionen af intensiteten af disse stød er blevet taget i betragtning, og som er ledsaget af en yderligere reduktion i rumfang af spolen, som tenderer i den samme retning som de ovenfor angivne 5 formål, er dimensionen af den centrale kerne og navnlig dens tværsnit valgt således, at der fås en bestemt siuttiltrækningskraft, og magnetiske mætningsfænomener udvikler sig lokalt deri, når arbejdsluftspalten falder i reluktans.

I en særlig udførelsesform for disse sidstnævnte foranstalt-10 ninger, som tilsigter at give tiltrækningskurven en i det væsentlige, lineær voksende tendens, forårsager disse mætningsfænomener, at induktionen i spolen udvikler sig i det væsentlige i et forhold på et til to.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning 15 til tegningen, hvor fig. 1,2 og 3 viser en første udførelsesform ifølge opfindelsen, hvor lukkeluftspal ten er anbragt inden i spolen, medens arbejdsluftspalten er beliggende ved pottens periferi, 20 fig. 4 en anden udførelsesform ifølge opfindelsen, hvor arbejds- og lukkeluftspal terne er anbragt ved pottens periferi, fig. 5 dimensionen, som elektromagneten ifølge opfindelsen kan have for at svare til de 25 nedenfor angivne numeriske data, fig. 6 et diagram over udviklingen af tiltrækningskræfterne og af modstandskræfterne, som en elektromagnet ifølge opfindelsen møder, når den anvendes i en lille kontaktor, 30 fig. 7 fordelingen af fluxen, som udvikles i kredsløbet for en bestemt position af ankeret, fig. 8 til sammenligningsformål en potteformet elektromagnet af kendt udførelse, fig. 9 en elektromagnet ifølge opfindelsen, hvor 35 forøgelsen af arealet af arbejdsluftspalten er opnået på andre måder end de forudgående, fig. 10 et eksempel på de foranstaltninger, som kan træffes for at reducere reluktansen af lukkeluftspal ten,

DK 160380 B

5 fig. 11 i et udvendigt lodret billede en elektromagnet, hvor reluktansen af lukkeluftspalten udvikler sig under ankerets vandring, og fig. 12 og 13 i et udvendigt lodret billede og i et billede 5 ovenfra i snit efter planet TT7 en elektromagnet med de samme egenskaber som den foregående, men hvor udviklingen af reluktansen kan vælges blandt to mulige udviklinger.

En elektromagnet Γ ifølge opfindelsen vist i fig. 1 har to 10 magnetiserbare omdrejningslegemer 2,3, der er bevægelige i forhold til hinanden langs en fælles omdrejningsakse XX', og som indgriber i hinanden. Disse dele har, når de først er indsat i hinanden, udseende som en potte, hvis indre rumfang 18 er optaget af en spole 4 med strømtilledninger 5,6, der f.eks. passerer gennem delen 3, der 15 her betragtes som værende fast, hvorimod det omvendte også ville være muligt.

Delen 3 har en i det væsentlige flad bund 7, i hvis midte en cylindrisk kerne 8 rager frem, og som på sin ydre overflade har et tyndt lag 9 af et umagnetisk materiale med gode friktionsegenskaber.

20 Et ringformet skørt 10 strækker sig udvendigt ud fra bunden parallelt med kernen og har på sin frie ende en konisk omdrejningsoverflade 11, der danner en vinkel a med aksen.

Den anden del 2, som derfor her antages at være bevægelig, har en form, som er sammenlignelig med formen af delen 3, men omfatter i 25 midten af sin bund 16 en rørformet forlængelse 12, gennem hvis boring 13 kernen 8 strækker sig, og som glider derover med en let pasning, hvorimod dens korte skørt 14 har en konisk overflade 15 under en vinkel a, som er parallel med den forannævnte, ud for hvilken den er beliggende. På grund af egenskaberne og selve funk-30 tionen af elektromagneten bibringer en returfjeder 17, der som eksempel er anbragt inden i rummet 18 mellem delene 2 og 3, men som kunne være anbragt udenfor, delen 3 en kraft, som fører den tilbage til en hvilestilling, hvor den ligger an imod et stop 19, og hvor en afstand "c" lig med den relative vandring af delene 2 og 3 adskiller 35 de koniske overflader parallelt med aksen XX'.

Den bevægelige del 2, som følgelig kaldes ankeret, kan være mekanisk koblet til en hvilken som helst del eller anordning til overføring dertil af en bevægelse med an amplitude lig med "c", som for at forekomme kræver, at amperevindingerne, som løber i spolen,

DK 160380 B

6 skal være tilstrækkelige til først og fremmest at overvinde en indledende modstandskraft ved hjælp af indledende trækkekraft, der udvikles ved tiltrækningen af ankeret, og bliver derpå effektivt anvendt til at overvinde andre modstandskræfter, som optræder under 5 bevægelsen, f.eks. for at bevirke sammentrykningen af trykfjedre, hvis ankeret er i forbindelse med bevægelige afbryderkontakter (ikke vist).

Det kan ses, at amperevindingerne, som udvikles af en spole, i det væsentlige anvendes til magnetisering på den ene side af ar-10 bejdsluftspalten E, som adskiller de koniske pol flader, og på den. anden side den uundgåelige 1ukkeluftspalte e, over hvilken den magnetiske flux skal passere.

Begyndelsesinduktansen i luftspalten E såvel som dimensionerne af trækkeoverfladerne 15 og 11 skal selv være tilstrækkelige 15 til, at begynde!sestrækkekraften f^ er større end begyndelsesmodstandskræfterne R...

Dimensionerne af en elektromagnet, som er i stand til at udvikle en sådan trækkekraft, når en vandring "c" skal udføres under samtidig overvindelse af begyndelsesmodstandskræfter, hvis efter-20 følgende variation er kendt på forhånd, kan opnås uden vanskelighed med kendte midler og ved kendt beregning, når effekten og rumfanget, som elektromagneten kan have, ikke er underkastet nogen særlig begrænsning.

Det samme kan ikke siges, når det f.eks. er ønskeligt i et 25 kontaktorhus, som anvender en vekselstrømsmagnet, at placere en elektromagnet, der forsynes af jævnstrøm, da rumfanget af denne sidstnævnte almindeligvis er ca. 50% større eller at begrænse effekten af en elektromagnet, f.eks. til en effekt på en halv watt, samtidig med at det kræves, at den udvikler begynde!sestiItræk-30 ningskræfter af størrelsesordenen 100 cN, og at den derpå vandrer over en afstand af størrelsesordenen 3 til 4 mm.

Det er yderligere kendt, at i modsætning til opførslen af elektromagneter, som forsynes med vekselstrøm, er ankeret i en elektromagnet, der fødes med jævnstrøm, kun påvirket af en lav ti 1 -35 trækningskraft, når den aktiveres, og denne følger derpå en meget hurtigt voksende udvikling, hvis overskud med hensyn til modstandskræfterne ikke kun bliver nytteløs, men også skadelig på grund af den endelige hastighed, som ankeret derpå når, når ingen ekstra organer eller fænomener hindrer udviklingen.

DK 160380 B

7

En anden elektromagnet l'a vist i fig. 2, hvor de samme henvisningsbetegnelser anvendes for dele, der har de samme funktioner, er direkte adledt af den foregående ved at vende positionen af kernen 8' og den rørformede forlængelse 12', som nu er forbundet med 5 ankeret 2' og med ågpotten 3'. I de to udførelsesformer vist i fig.

1 og 2 vil den aksiale længde, over hvilken luftspalten e henholdsvis e' strækker sig, være så stor som mulig af de nedenfor forklarede grunde. I alle tilfælde vil denne længde altid være tæt på højden H af spolen 4.

10 Elektromagneten lb vist i fig. 3 viser, hvorledes positionen af arbejdsl uf tspalten E^ kan ændres i den ene eller den anden af udførelsesformerne vist i fig. 1 eller 2 ved at bringe denne luftspalte tæt på bunden 7b af det faste åg 3b for således at reducere lækagefluxene, som eventuelt ikke samarbejder for at tiltrække 15 ankeret. Skørtet 14' på det bevægelige anker 2b er her længere end i de foregående tilfælde, medens skørtet 10' på den anden side er kortere.

En anden elektromagnet 1" i henhold til opfindelsen og vist i fig. 4 omfatter et fast åg 20, som er dannet ved samling af to mag-20 netiserbare omdrejningslegemer 21 og 22, et bevægeligt magnetiserbart anker 23, en spole 24 og en fjeder 17'.

Når delene er samlet, holder åget 20 i et indre rum 80 spolen, som tidligere er blevet monteret omkring en massiv kerne 25 på delen 21 koncentrisk med og fastgjort til en bund 26, som ved sin periferi 25 har en skrå overflade 81, der danner en vinkel α med aksen YY'.

Den frie ende 27 af kernen er her forankret i den flade bund 28 af delen 22, som er forlænget med et ringformet skørt 29, hvis overflade fortrinsvis er belagt med et fint lag af umagnetisk anti-friktionsmateriale 30, og som strækker sig parallelt med kernen 25.

30 Det bevægelige anker 23 har form som en ring, hvis cylindriske indre overflade 31 glider med et passende spillerum over laget 30, og hvis ene ende beliggende modsat overfladen 81 har en parallel tilspidsende overflade 32. Længden "m" af dette anker er fortrinsvis større end højden "h" af skørtet 29 for at tillade det at glide, 35 uden at kontaktfladen reduceres, og reluktansen således forøges. Det vil ses nedenfor, at visse modifikationer imidlertid kan udføres på værdien deraf for således at opfylde særlige formål. Det kan med dette arrangement ses, at hele det indre rumfang 80 af åget 20 er optaget af spolen 24.

DK 160380 B

8 I de to udførelsesformer ifølge opfindelsen bevirker ampere-vi ndi ngerne n x i, som udvikles af spolen, når strømmen løber igennem den, at der udvikles en flux 0, som vil løbe gennem de magnetiserbare dele, samtidig med at den dels passerer gennem en 5 arbejdsluftspalte beliggende mellem de tilspidsende overflader 81,32 henholdsvis 11, 15, og hvis dimension er E, og dels gennem en lukkeluftspal te, som er materialiseret af tykkelsen e af laget af anti fri kti onsmateri al e.

Luftspalten E, hvis areal er s, og luftspalten e, hvis areal er 10 S, bestemmer reluktanser Rj og R£, som giver fluxen en værdi 0, der. bevirker, at der optræder induktioner Bj og B2.

I elektromagneterne ifølge opfindelsen er konstruktionen en sådan, at reluktansen R^ er så lille som mulig i forhold til reluktansen Rp når ankeret er i den åbne stilling, og således at pro-15 duktet af kvadratet af begyndelsesinduktionen Bj multipliceret med overfladen s (eller begyndelsestiltrækningskraften -F^) er så stor som muligt, når ankrene er i hvile for således let at overvinde begyndelsesmodstandskræfterne R..

Det vil bemærkes, at denne begyndelsesinduktion Bj skal vælges 20 således, at den pågældende tiltrækningskraft er i stand til at udvikle sig, samtidig med at den forbliver f.eks. større end de fremadskridende eller trinvise modstandskræfter, som successive eller samtidigt optræder, når ankeret aktiverer bevægelige kontakter i en kontaktor. Hvis begyndelsesinduktionen allerede var høj, ville 25 forekomsten af mætning i det magnetiske kredsløb bevirke en langsom vækst af tiltrækningskræfterne, når ankeret bevæger sig.

Når begyndelsesinduktionen Bj er passende valgt, optræder mætning kun (hvis den overhovedet optræder) på overfladerne s, når ankeret er meget tæt på åget, og mætningsvirkningerne udvikler sig i 30 forvejen enten i spolen 8 i sektionen f henholdsvis 25 eller i områderne 34,35 henholdsvis 36,37, så at væksten af tiltrækningskræfterne netop er større end væksten af modstandskræfterne.

Fordelen ved at bringe mætning til at optræde i disse områder ved at give dem et passende tværsnit følger af, at en eventuel 35 reduktion af tværsnittet af kernen også vil reagere gunstigt på rumfanget af spolen og dermed på den effekt, som er påkrævet for at bringe amperevindi ngerne til at optræde. En sådan reduktion, som også afspejles i det samlede rumfang af elektromagneten, er også gunstig for fjernelsen af Joule tab (varmetab), da den ydre

DK 160380 B

9 overflade af elektromagneten aftager proportionalt mindre end det indre rumfang for en konstant strømtæthed. Dimensionerne og parametrene for en elektromagnet Γ" i henhold til opfindelsen, som er angivet i fig. 5, og udviklingen af tiltrækningskraften, som er 5 angivet i grafen i fig. 6, viser dels at rumfanget af en sådan elektromagnet (fødet med jævnstrøm) kan konkurrere med rumfanget af en elektromagnet, som fødes med vekselstrøm, og dels at den effekt, som kræves til energiforsyning af den, og som er af størrelsesordenen 0,5 W, muliggør, at et stort antal små kontaktorer, som anvender 10 disse elektromagneter, bliver forsynet direkte med effekt af ud gangstrinnene i en elektronisk styreenhed, såsom en programmerbar følgestyreenhed (sequencer).

Det vil ved betragtning af fig. 7, som viser fordelingen af fluxen i åbent kredsløb, bemærkes, at lækagefluxene, som kan optræde 15 i områder L, Μ, N, Q, er meget små. Dette gode resultat skyldes, at tværsnittene af de magnetiske masser bortset fra kernen er valgt således, at de ikke mættes.

Det vil også bemærkes, at konstruktøren og/eller brugeren er givet en stor frihed til at vælge værdien af det areal s, som bedst 20 passer til hans behov på grund af den mere eller mindre udtalte hældning a af de tilspidsende overflader.

I praksis er luftspalten E bestemt af værdien af vandringen C, som kræves for at opnå god isolation og god sammentrykning af de bevægelige kontakter i tilknytning til ankeret og hældningen a 25 hidrørende derfra, medens værdien af luftspalten e ikke kan falde under en rimelig tærskelværdi, som er bestemt af organerne og materialerne, som anvendes i økonomisk produktion i stor målestok, 0,1 mm < e < 0,5 mm kan eksempelvis vælges.

En hurtig og forenklet beregning, hvis detaljer er angivet ne-30 denfor, viser, at ydelserne af en potteelektromagnet med sædvanlig form, som er vist i fig. 8, med de samme dimensioner er betydeligt mindre end for en elektromagnet ifølge opfindelsen. Flexibiliteten af styring af induktionen B3 af kernen, som er påkrævet i opfindelsen, opnås uden skade enten for tiltrækningskraften eller for rum-35 fanget af spolen, hvilken fordel ikke kan opnås med elektromagneten vist i fig. 8 på grund af det voluminøse indre område af kernen, som anvendes til udvikling af en betydelig del af tiltrækningskraften, også er det, hvor mætningsfænomenerne først og fremmest vil optræde.

I det følgende er n x i det til rådighed værende antal

DK 160380 B

10 amperevindi nger, og R er reluktansen af den magnetiske kreds, der anses som repræsenteret alene ved luftspalterne, således at mætning ikke tages i betragtning, og konstantkoefficienterne er repræsenteret ved bogstavet G.

5 10 15 20 25 30 35 5

DK 160380 B

π ni = RØ 0 = —

R

C ø og R = R, + R« med R, = — Ro = - 1 L 1 Sø ^o o 10 antages det, at E = K^e og S = K2s, hvorefter R bliver e K K +1 -=- * 12 $μο - K2 15 og dermed:

0 -i. s . » Λ, .G

e O 2 1 + Kj k2 20 c _ 0 _ ni μ K r

Bj - — · g 2 ' G

s e 1 + Kj K2

25 B = J_ = JL· = Jll /* .G

S K2S e 1 + Kj K2 R_ø_ni μ K s r on ^ - —.-Q--- JU f e 1 + Ki K2 f

Begyndelsestiltrækningskraften Fi er givet ved: 35 Fi . V . s = g2 .IH)2 . V / K2 \ 2 · s 2»o U/ 2"o V + h *2 j I henhold til opfindelsen, hvor slaglængden af ankeret er 3 mm, og hvor vinklerne a danner 30°, er der valgt en lukkeluftspal te e lig 12

DK 160380B

med 0,3 mm, og en arbejdsluftspalte E lig med 1,5 mm hidrører fra de geometriske valg, og følgelig er Kj = 5.

Hed en ydre diameter på 30 mm og en højde h lig med 19 mm fås s = 4,3 cm2, S = 15 cm2, og følgelig K2 = 3,5 og dermed 5

Fi = (ni)2 . / 3,5 \2 . 4,3 . 1 . G2

Il + 17,5/ (0,03)2

Fi = (ni)2 ./ 3,δ\2 . 4,3 G2 = G2 . (ni)2 .170 10 \18,5/ (0,03)2

Hvis en kendt elektromagnet som vist i fig. 8 gives de samme ydre dimensioner, den samme slaglængde, de samme arbejdsluftspal-tedimensioner E,s, og hvis der tages hensyn til en 1ukkeluftspalte E 15 anbragt på kernen med det samme tværsnit f, hvor vinklen a - 30°, fås E _ R R' E K' _ 1 1 s 1 L S' 20 9 9 med S' = 0,64 cnr X 2 = 1,28 cnr 2 og s = 4,3 cm oc og der fås K' = — = = °’3 25 s 4.3

Anvendelsen af de samme formler for samme n x i og under hensyn til, at en induktion B'j føres til s, og en induktion B'2 føres til 30 S' over to luftspalter E med værdier lig med 1,5 mm, fås en samlet begynde!seskraft: F'i - (~\2 · S Γ/ K/ V * V 1- G2

35 [ej (i + Kj' k2' ) (1 + Kj' K2')T

= (ni2) - / 0,3 \2 + 0,3 . G2 (0,15)2 \ 1 + 0,3 } (1 + 0,3)2

DK 160380 B

13 = (ni)2 . „fr3_ 0,053 + 0,177 . G2

(0,15)2 L

5 = G2 . (ni)2 . 44

Mellem Fi og F'i er der derfor et multiplikationsforhold lig med 170 = 3,9.

10 44

Sammenligningen mellem en elektromagnet Γ vist i fig. 1 eller 2 2, f.eks. med S = 5,6 cm , når H = 1,9 cm og således K2 = 1,3, og en sædvanlig elektromagnet fører til et stadig meget gunstigt forhold 15 på 143 3,25.

44

Forstærkningsreserven af den indledende tiltrækningskraft, som leveres af elektromagneten ifølge opfindelsen, muliggør flere an- 20 vendelser, hvor ikke kun denne kraft, men også dens udvikling let kan tilpasses til behovene ved at ændre ikke kun forholdene Kj og K2> men også om nødvendigt forholdet Kg, som relaterer arbejds-poloverfladen s og tværsnittet f af kernen i overensstemmelse med ligheden s = Kgf.

25 Dette forhold Kg, hvis forøgelse for et givet areal s og en koefficient K2 forårsager, at mætning af kernen forekommer tidligere og således f.eks. muliggør, at den endelige induktion B^t og dermed den endelige tiltrækningskraft bliver bestemt. I udførelsesformen vist i fig. 5 er Kg = 6,8.

30 En forøgelse af K2, som reducerer reluktansen R2 forøger be gynde! s.estil trækningskraften såvel som væksthastigheden. Dens indstilling muliggør også, at tiltrækningskraften fastlægges ved middelvandring om ønsket, umiddelbart før mætningsvirkningerne kan gøre sig nævneværdigt mærkbare.

35 I udførelsesformen vist i fig. 5, hvor formålet er at bringe elektromagneten i en lille kontaktor til at overvinde modstands-kræfterne Q, viser beregning og grafisk afbildning (fig. 6), at (med K2 lig med 3,5) tiltrækningskraften F er tæt på halvdelen af sin maksimale værdi efter en begyndelsesvandring, der går fra 30 til 40% 14

DK 160380B

af den samlede vandring, og at begyndelseskraften er tæt på 100 cN.

Anvendelsen af meget skrånende arbejdspolflader, som eventuelt kunne skabe nogle samarbejdsvanskeligheder ved lukning, er kun nødvendig, hvis man ønsker at opnå høje begynde!seskræfter, uden at 5 de ydre dimensioner og ankerets masse bliver alt for store.

Erstatning af de koniske overflader af elektromagneten vist i fig. 5 med lige overflader adskilt af slaglængdens værdi, ville på en og samme tid ændre forholdene: S » K2 s ved at give Kg - 7 og E =

Kje ved at give Kj « 10. Disse værdier kan ikke længere give begyn-10 delsestiltrækningskraften en fordelagtig forstærkning i forhold til den kendte teknik. Den vigtige rolle, som hældningen af overfladerne af arbejdsluftspalten spiller, kan derfor ses.

I de ovenfor anvendte forenklede beregninger for udførelse af sammenligninger er friktionskræfterne ikke blevet taget i betragt-15 ning. Det er klart, at hvis disse kræfter udtrykkes ved virkningerne af en sideværts tiltrækningskraft, hvis friktion imod overfladen af skørtet 29 på potten kan overføres til det ringformede anker 23, kan en optimeringsberegning udføres for således at finde de mest egnede værdier af Kp K2 og Kp 20 Udtrykket for den nyttige nettokraft Fu omfatter da en koeffi cient med formen (1 - _r_) K2 som viser, at denne kraft om nødvendigt er større, når friktionskoefficienten r er lille, og når K2 er stor.

25 Simuleringer har muliggjort en udvikling af induktionen i kernen, som skal vælges, der fordelagtigt ligger mellem 0,7 Tesia og 1,6 Tesia (dvs. et forhold tæt på 2), når ankeret lukker, hvilken udvikling er velegnet til anvendelse til kontaktorer.

I en variant 56 af elektromagneten kan opfindelsen have andre 30 udførelsesformer, som stadig placerer den indenfor det ønske at opnå en høj begyndelsestiltrækningskraft. I stedet for at anvende skrå overflader bestemt af kegler kan poloverfladerne i arbejdsluftspalten hver have en række tænder 50 henholdsvis 51 med skrå sider, som samvirker ved, at fremspringene på den ene træder ind i mellemrum-35 mene på den anden. Vinkelorienteringsorganer 52,53, f.eks. omfattende en aksial rille og en tværgående stift, kan da være nødvendige for at forhindre drejning af ankeret 54 i forhold til åget 55 på tidspunktet for strømtilførsel til spolen, se fig. 9.

En forøgelse af arealet S, som lukkeluftspal ten skal have (og

DK 160380 B

15 dermed af K2), kan opnås f.eks. ved hjælp af en forlængelse 59 af ankeret 60, som samvirker med en forlængelse 57 af skørtet 61 hørende til åget 58, se fig. 10.

Idet der stadig opretholdes en høj værdi af arealet af lukke-5 luftspalten S, kan det være ønskeligt til anvendelser, hvor en langsom udvikling af tiltrækningskurven skal opfylde særlige krav, at dens værdi aftager under ankerets vandring. Et sådant resultat kan opnås ved i skørtet 63 på elektromagneten vist i fig. 11 og i dens ringformede anker 64 at danne udskæringer 66 henholdsvis 67, 10 fortrinsvis symmetrisk, som ændrer værdierne af de overfor hinanden liggende arealer S, når dette anker bevæger sig. En gradvis vinkelfordeling af udskæringerne 75,76 ville om nødvendigt muliggøre, at en af flere mulige tiltrækningskurver vælges ved før samlingen at give ankeret 70 i elektromagneten 69 en bestemt vi nkel ori entering i 15 forhold til ågpotten 71, hvilken orientering ville tilvejebringes af styreorganer, såsom en stift 72 og udskæringer 73,74 vist i fig. 12 og 13.

Endelig skal det bemærkes, at valget af orienteringen af koni-citeten af arbejdsluftspaltens overflader vist i fig. 1,2 og 3 blev 20 foretaget således, at virkningerne af et lille radialt spillerum, som findes ved lukkeluftspal ten, ikke frembringer ubalance i værdierne, som to diametralt modstående arbejdsluftspaltedele kan antage.

En sådan ubalance, som kunne forekomme i det modsatte tilfælde, kunne forårsage fastklemning, se fig. 3.

25 Den valgte orientering kan fastlægges som den, der bevirker, at en halv ret!i ni et normal på en konkav konisk overflade, såsom 15 henholdsvis 81 (se fig. 4), passerer i nærheden af et centralt punkt 0 beliggende på symmetriaksen XX' henholdsvis YY'.

Betegnelsen cylindrisk potte, der er blevet anvendt i de fore-30 gående eksempler, skal ikke være begrænset til en omdrejningscy linder, der imidlertid danner den mest fordelagtige udførelsesform derfor.

Der kan også anvendes rette cylindre, hvis ydre overflade ville bestemmes af banen for en retliniet frembringer, der støtter sig på 35 en ledekurve eller -figur forskellig fra en cirkel.

Med anvendelsen af særlige fremstillingsmidler og processer er det muligt at danne elektromagnetpotter med en i det væsentlige prismatisk form eller med andre ord potter med kvadratisk eller rektangulært tværsnit med afrundede hjørner for således at forøge de 16

DK 160380 B

overflader, som afgrænser arbejdsluftspalten. Lukkeluftspalten kan derpå dannes ved hjælp af et isolerende lag i form af en film, som forbindes med skørtet på denne potte og med et glidende anker med et tilsvarende tværsnit.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (5)

1. Jævnstrømselektromagnet, navnlig til et elektrisk omskifterapparat, omfattende et magnetiserbart åg (20) i form af en 5 potte med en central kerne (8,25), en spole (4,24) anbragt i denne potte (20) koncentrisk med kernen, og et bevægeligt anker (2,23), der er underkastet virkningen af en returfjeder (17), og hvis periferi pol flader, der har en form, som forøger deres størrelser, samvirker med overflader med den samme form beliggende på et ring- 10 formet skørt (10) på potten over en arbejdsluftspalte (E,s), der er anbragt magnetisk i serie med en central luftspalte (e,$), der lukker fluxen, kendetegnet ved, at lukkel uf tspalten (e,S) har et stort areal (S) og en lille reluktans (Rg) i forhold til reluktansen (Rj), som arbejdsluftspalten (E,s) frembyder, når den er 15 åben, og omfatter cylindriske overflader (13,9; 30,31) parallelle med bevægelsesretningen for ankeret (2; 23), så at lukkel uftspaltens reluktans (R^) i det væsentlige ikke påvirkes af denne bevægelse.

2. Elektromagnet ifølge krav 1, kendetegnet ved, at dimensionen af den centrale kerne (8,25) og navnlig dens tværsnit 20 (f) er valgt således, at der fås en bestemt siuttiltrækningskraft (Ft), og magnetiske mætningsfænomener udvikler sig lokalt deri, når arbejdsluftspalten (E,s) falder i reluktans.

3. Elektromagnet ifølge krav 2, kendetegnet ved, at mætningsfænomenerne i kernen (25) bevirker, at induktionen deri 25 udvikler sig i det væsentlige i forholdet 1 til 2, når ankeret (23) bevæger sig mellem sin hvi1 esti 1ling og sin arbejdsstilling.

4. Elektromagnet ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lukkel uftspalten (e,S), som er anbragt mellem en rørformet kerne (12,12') og en massiv kerne (8,8'), der begge er placeret i midten 30 af spolen og forbundet henholdsvis med faste (3,3') og bevægelige (2,2') dele af elektromagneten (r,l'a), strækker sig i det væsentlige over højden (H) af spolen (4).

5. Elektromagnet ifølge krav 1, kendetegnet ved, at lukkeluftspal ten (e,S) er anbragt mellem et cylindrisk ydre skørt 35 (29) af en del (22) af den magnetiske potte (20) og et bevægeligt ringformet anker (23), som ved sin ene ende har pol overflader (32), der fastlægger arbejdsluftspalten (E,s).