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Fallklappenrelais Fallklappenrelais werden in vornehmlich handbedienten
Fernmeldeanlagen zurr Anzeige eines Anrufes bienntzt. Grundsätzlich wird. eine derart
hohe Empfindlichkeit des FaRklappenrelais angestrebt, daß die Reichweite für einen
Anruf diejenigei der Sprachübertragung erreicht. Nach dem heutigen Stand der Technik
ist für die Sprachübertragung eine Leitungsdämpfung von 4 Neper zugelassen. Bei
einer Rufspannung von: beispielsweise 70 Volt am Anfang einer Leitung mit einem
Wellenwiderstan@d von 1400 SZ und einer Dämpfung vorn 4 Neper läßt sich: am Ende
der Leitung ein Strom von, etwa z mA bei 1,3 Volt Endspannung entnehmen. Beträgt
die Windungszah l der Erregerwicklung eines. Fallklappenreilais üblicher Bauairt
beispielsweise roooo, so ergibt sich eine Mini:maJerregung von ro AW, bei der das.
Fallklappenrelads noch, sicher ansprechen muß. Dieser Wert ist den nachfolgenden
Betrachtunigen zugrunde gelegt. Ähnlich sind die Verh:ältnisse, wenn die Erregung
des Fallklap-penrelai;s mit Gleichstrom statt mit Wechselstrom erfolgt.
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Derart empfindliche Fallklappenrelais,, die bereits mit sehr energieairrnen
elektrischen. Impulsen ausgelöst werden können, sind naturgemäß auch auf mechanische
Stöße sehr empfindlich. In[ handbedienten: Zentralen sind, nun die Fallklappenrelais
reilativ starken Erschütterungen ausgesetzt, vor aIMm herrührend, von der Betätigung
der Stöpsel oder Taisten. beim Herstellen der Verbindungen. Ferner wirken sich bei
Feldzentralen die unvermeidlichen Erschütterungen ganzer Apparategestelle nachteilig
aus. Erschütterungen, welche die Empfindlichkeitsgrenze des Fallklappenrelais überschreiten,
verursachen die Auslösung der Fallklappe und täuschen damit einen Anruf vor. Um
diesen Nachteil zu vermeiden, ist daher neben einer hohen
elektrischen
Empfindlichkeit eine hohe mechanische Unempfindlichkeit des Fallklappenrelais anzustreben.
Dies bedeutet, daß der elektromechanische Wirkungsgrad des Fallklappenrelais, definiert
als Verhältnis der mechanischen Energie, welche den Anker des Fallklappenrelais
aus der Ausgangslage über seinen Kippunkt zu bringen gestattet, und der minimalen
elektrischen Energie, über welche zum Ansprechen des Fallklappenrelais (bei Wechsel-Stromerregung
pro Halbwelle) verfügt wird, einen hohen Wert haben muß. Da die zum Ansprechen des
Fallklappenrelais verfügbare elektrische Energie am Ende einer Leitung mit beispielsweise
4 Neper Dämpfung vorgegeben ist, läßt sich der Wirkungsgrad nur durch Erhöhung der
mechanischen Energie heraufsetzen.
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Die bisher verwendeten Fallklappenrelais haben im praktischen Betrieb
hinsichtlich Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen nicht befriedigt, da sie bei
elektrisch empfindlicher Einstellung oft zu mechanisch bedingten Fehlanzeigen Anlaß
gaben. Nähere Untersuchungen an gebräuchlichen Fallklappenrelais. haben gezeigt,
daß deren elektromechanischer Wirkungsgrad sehr gering, oft kleiner als i °/o ist.
Die Ursache dieses schlechten Wirkungsgrades wird an Hand der Fig. i der beigefügten
Zeichnung erklärt, in welcher der magnetische Fluß 0 in Funktion der im Erregermagnetkreis
des Fallklappenrelais wirksamen Durchflutung 0 graphisch dargestellt ist. Im Ausgangszustand
ist im Erregermagnetkreis bei verschwindender Erregung ein Restfluß (PR vorhanden,
bedingt durch die Koerzitivfeldstärke des Erregermagnetkreismaterials und den gegebenenfalls
vorhandenen Permanentmagneten. Steigt bei einem Anruf die Erregung 0 an, so bleibt
der Fluß 0 zunächst praktisch konstant, bis die Erregung den Wert erreicht. Während
dieser Zeit bleibt somit auch die vom magnetischen Fluß abhängige, auf den Anker
des Fallklappenrelais wirkende Kraft praktisch konstant. Die Erregung 0, dient dazu,
vom absteigenden zum aufsteigenden Ast der Hystereseschleife zu gelangen; sie ist
gleich dem doppelten Umlaufsintegral der Koerzitivfeldstärke des für den Erregermagnetkreis
verwendeten Materials, d. h. ungefähr gleich dem doppelten Produkt von Eisenweglänge
und Koerzitivfeldstärke. Erst eine über den Wert 0, ansteigende Erregung des Fallkläppenrelais
hat eine wesentliche Flußerhöhung und damit eine Erhöhung der auf den Anker wirkenden
Kraft zur Folge. Man erkennt aus diesen Überlegungen bereits, daß im Interesse eines
guten elektromechanischen Wirkungsgrades des Fallklappenrelais eine kleine Koerzitivfeldstärke
des für den Erregermagnetkreis verwendeten ferromagnetischen Materials anzustreben
ist. Die erwähnte Untersuchung bisheriger Fallklappenrelais hat jedoch ergeben,
daß bei den schwächsten Impulsen, bei denen das Relais noch auslösen muß, die gesamte
Erregung O. nur wenig größer ist als die praktisch unwirksame Durchflutung 0, Das
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Fallklappenrelais mit geringer
Ansprechdurchflutung; insbesondere weniger als 15 AW; zeichnet sich nun dadurch
aus, daß zwecks Verminderung der Erschütterungsempfindlichkeit das Umlaufsintegral
der Koerzitivfeldstärke im Erregermagnetkreis kleiner ist als etwa 1/4 der Ansprechdurchflutung.
Diese Bedingung läßt sich bei allen Fallklappenrelais gebräuchlicher Bauart erreichen,
wenn für den Erregermagnetkreis ferromagnetisches Material verwendet wird, dessen
Koerzitivfeldstärke höchstens o,2 A/cm beträgt.
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Um die Verhältnisse quantitativ zu überblicken, wird nachstehend noch
die Abhängigkeit des elektromechanischen Wirkungsgrades von der Koerzitivfeldstärke
angegeben. Wie bereits erwähnt, wurde unter dem Wert 0, das doppelte Umlaufsintegral
der Koerzitivfeldstärke verstanden: (9, 2 IE H,. In dieser Gleichung bedeutet
IE die Eisenweglänge im Erregermagnetkreis des Fallklappenrelais und HC die Koerzitivfeldstärke
des für denselben verwendeten ferromagnetischen Materials. Die mechanische Energie
W", welche den Anker des Fallklappenrelais aus der Ausgangslage über seinen Kippunkt
zu bringen gestattet, ist gegeben durch das halbe Produkt aus der resultierenden
Klebkraft F" in der Ausgangsstellung und dem Weg x,
des Ankers bis zum Kippunkt
W" - 1/z F" - x,
Die auf den Anker wirkende Kraft ist bei polarisierten
Magnetsystemen direkt proportional der wirksamen Erregung 0"- 0, bei unpolarisierten
Magnetsystemen proportional der ersten bis zweiten Potenz dieser Erregung, je nach
Remanenz oder Vormagnetisierung. Man erkennt, daß die in der Ausgangsstellung auf
den Fallklappenanker wirkende Klebkraft sowohl bei polarisierten wie bei nilcht
polarisierten Magnetsystemen um so höher gewählt werden kann, je kleiner der Wert
0, d. h. insbesondere je kleiner die Koerzitivfeldstärke H, gemacht wird. Vorteilhaft
ist auch eine kleine Eisenweglänge; praktisch läßt sie sich jedoch bei der notwendigen
hohen Windungszahl gegenüber bisherigen Ausführungen nicht wesentlich verkleinern.
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Die Abhängigkeit der auf den Anker eines polarisierten Fallklappenrelais
ausgeübten Kraft F vom Wert der Durchflutung 0 geht aus Fig. 2 hervor. Die Gerade
A gibt beispielsweise die Verhältnisse bei einem Fallklappenrelais bisheriger Ausführung
wieder, bei dem für den Erregermagnetkreis Holzkohleeisen mit einer Koerzitivfeldstärke
von o,5 A/cm verwendet wurde. Der Wert 0,1 ergibt sich bei einer Eisenweglänge von
8 cm zu 8 AW. Die Steilheit der Geraden ist durch die Größe des Permanentflusses
und die Luftspaltverhältnisse gegeben. Die auf den Anker wirkende Kraft FZ beträgt
bei einer Erregung 0" z von io AW i g. Die Gerade B stellt den mit dem gleichen
Fallklappenrelais erzielten Kraftverlauf dar, wobei an Stelle des Holzkohleeisens
ferromagnetisches Material mit einer Koerzitivfeldstärke von o, i A/cm
verwendet
wurde. Die Durchflutung 0, 2 hat in diesem Fall den Wert 1,6 A/cm. Die auf den Anker
wirkende Kraft Fa beträgt nunmehr bei der Erregung 0," = io AW 4,2 g. Durch Verwendung
eines ferromagnetischen Materials mit kleinerer Koerzitivkraft ist somit die Kraft
um einen Faktor 4,2 angestiegen.
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Bei einer gegebenen Steilheit des Verlaufes der magnetischen Kraft
längs des Luftspaltes ist der Abstand x" zwischen der Ausgangsstellung des Ankers
und seinem Kippunkt proportional zur llebkraft F.. Die zum Ansprechen des
Fallklappenrealis erforderliche mechanische Energie W" ist, wie bereits erwähnt,
proportional dem Produkt F" - xa. Das gilt auch vom Wirkungsgrad; er ist
somit bei polarisierten Relais proportional dem Quadrat der wirksamen Erregung 0,"-0,
Bei dem der Fig. z zugrunde liegenden polarisierten Fallklappenrelais steigt somit
der Wirkungsgrad um etwa einen Faktor iS an. Tatsächlich haben Versuche gezeigt,
daß bei Verwendung von ferromagnetischen Materialien mit entsprechend kleiner Koerzitivfeldstärke
der Wirkungsgrad gegenüber bisherigen Fallklappenrelais um einen Faktor 2o bis 5o
verbessert werden konnte. Ähnliche Vorteile sind nicht nur bei polarisierten, sondern
auch bei unpolarisierten, insbesondere vormagnetisierten Magnetsystemen erreichbar.