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Elektromechanischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, bei welchem der mit Differenz-Strom beaufschlagte Ausgang eines Differenz-Transformators an ein auf einen Auslösehebel wirkendes Tauch- spulsystem angeschaltet ist. Mit derartigen Anordnungen kann ein Schaltermechanismus bereits mit einer bestimmten, sehr geringen elektrischen Leistung - sozusagen durch mechanische Verstärkerwirkung - aus- gelöst werden.
Bei bisher bekannten elektromechanischen Wandlern dieser Art wird die von ihnen hervorgerufene mechanische Wirkung mittelbar oder unmittelbar auf ein mechanisches System - z. B. auf einen Schal- ter-übertragen ; hiefür kommen insbesondere Installationsselbstschalter in Betracht, die ausser einem elektromagnetischen Momentan-Auslöser zur Ausschaltung eines Schalters bei Leitungskurzschluss und einem thermischen Auslöser, der bei andauernder kleiner Überlastung einen Schalter betätigt, auch ein Differentialrelais enthalten, das bei asymmetrischem Stromfluss gegen Erde - also entweder im Falle von Stromdiebstahl oder bei Isolationsdefekten - die Auslösung eines Schalters bewirkt ; das Kriterium aller dieser Schaltelemente ist jeweils sinnfällig in der für den auszulösenden Schaltvorgang notwendigen Stromstärke gegeben.
Die Auslösung des dem Momentan-Auslöser bzw. dem thermischen Auslöser zugeordneten Schalters geht dabei zwar ohne Schwierigkeiten vor sich, der sicheren Auslösung eines Schalters durch das Differentialrelais stehen jedoch Hindernisse mechanischer als auch elektrischer Art entgegenvor allem bei Installationsselbstschaltern für verhältnismässig grosse Nennstromstärken - da die Auslösung des Schalters durch das Differentialrelais bereits bei einer Stromstärke von höchstens 10% des Nennstromes erfolgen soll; das Relais muss also elektrisch sowie auch mechanisch ausserordentlich empfindlich sein und wird deshalb bekanntlich als mit einem Schwinganker versehenes polarisiertes Magnetsystem ausgebildet.
Da nun eine Steigerung der elektrischen Empfindlichkeit - die nur durch Vergrösserung der für den Nennstrom bemessenen Differentialwicklungen erreichbar wäre - wegen des beschränkten Raumes praktisch nicht in Betracht kommt, wurde das Relais zur Steigerung seiner Gesamtempfindlichkeit auch bereits als Tauchspulrelais ausgebildet, dessen bewegliches System auf einen Auslösemechanismus einwirkt ; bei solchen Anordnungen sind jedoch durch die im Auslösemechanismus wirksamen Reibungskräfte der Empfindlichkeit immer noch Grenzen gesetzt, die mit Rücksicht auf den zu fordernden ausreichenden Berührungsschutz noch weiter eingeengt werden müssen. Weiters ist es auch bekannt, dass in elektrischen Schalteinrichtungen durch Anbringen magnetischer Zusatzkräfte ein kippartiger Schaltvorgang herbeigeführt werden kann.
Nach der Erfindung wird nun bei elektromechanischen Wandlern der eingangs beschriebenen Art eine wesentliche Steigerung der Ansprechempfindlichkeit in einfacher Weise dadurch erreicht, dass zwischen einander zugeordneten Anschlägen des Auslösehebels und des beweglichen-Teiles des Tauchspulsystem ! \ die sich in Ruhelage des letzteren nicht berühren, ein zusätzliches Magnetfeld besteht, das vorzugsweise durch einen an dieser Stelle eingesetzten Dauermagneten erregt wird.
Dieser zusätzliche Dauermagnet ist zweckmässig auf dem beweglichen Teil des Tauchspulsystems angebracht und bildet vorzugsweise zugleich den einen Anschlag.
Bei derartiger Ausbildung des elektromechanischen Wandlers wird der in dem zusätzlichen Magnet-
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feld gespeicherte Teil der beim in der Regel von Hand erfolgenden Spannen des Auslösemechanismus auf- gebrachten Arbeit im Auslösemoment frei und liefert so den Hauptteil der Auslösearbeit, so dass die vom
Tauchspulsystem für die Auslösung aufzuwendende elektrische Arbeit sehr klein wird.
In der Zeichnung sind in Fig. l und 3 zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen elektrome- chanischen Wandlers dargestellt ; Fig. 2 und 4 zeigen weiters das jedem dieser Geräte zugehörige Kraft-
Weg-Diagramm.
In Fig. l ist mit 1 ein Permanentmagnet bezeichnet, in dessen magnetischem Feld sich eine Tauch- spule 2 bewegt, auf deren Spulenkörper 3 eine Feder 4 befestigt ist, die auf ihrer dem Spulenkörper 3 abgekehrten Seite einen kleinen, U-förmigen Dauermagneten 5 trägt. Die Tauchspule 2 wird von einer
Tertiärwicklung 6 eines Differentialtransformators 7 gespeist. Die Masse der Tauchspule 2 sowie die des
Dauermagneten 5 und die Blattfederkonstante sind hiebei auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmt, z. B. 50 Hz. Damit lassen sich entsprechend der Güte des Resonanzsystems wesentlich grössere Schwin- gungsamplituden der bewegbaren Teile, d. h. der Tauchspule 2 und der Feder 4, erzielen als bei nicht abgestimmten Systemen.
Physikalisch gesehen hat das im weiteren zur Folge, dass die elektrische Energie über eine bestimm- te Zeit integriert wird, um zu einem bestimmten Zeitpunkt als mechanische Energie verfügbar zu sein, so dass eine derart aufgebaute Anordnung bei Anwendung nur sehr geringer elektrischer Energie eine me- chanische Arbeit abgibt und diese mittel-oder unmittelbar auf eine mechanische Vorrichtung, beispiels- weise zur Auslösung eines Schaltvorganges, übertragen kann.
Dieses mechanische Arbeitsvermögen wird nun dadurch wesentlich verstärkt, dass durch das vorerst ungestörte Anwachsen der Schwingungsamplitude der Tauchspule 2 der Abstand zwischen dem U-förmigen Dauermagneten 5 und einem als Anker ausge- bildeten Anschlag 8 eines Auslösehebels 9 der mechanischen Vorrichtung schliesslich so klein wird, dass sich diese beiden Teile durch die magnetische Kraft anziehen, wobei die im Magnetfeld des Dauerma- gneten gespeicherte Arbeit als Auslösearbeit frei wird und die Auslösung des Schaltvorganges bewirkt.
Die mechanische Vorrichtung besteht bei der vorliegenden Anordnung aus dem um eine Achse 10 drehbar gelagerten, doppelarmigen Auslösehebel 9, dessen linker Hebelarm eine um eine Achse 11 dreh- bar gelagerte und unter der Wirkung einer Zugfeder 12 stehende Nase 13 eines weiter nicht dargestellten
Schaltermechanismus zum Ausschwenken in der Pfeilrichtung A hindert. Die Lage des Auslösehebels wird durch eine Stellschraube 14 im Zusammenwirken mit einer Rückstellfeder 15 festgelegt. Die Zugkraft der Rückstellfeder 15 ist dabei so schwach, dass sie die Reibung, die zwischen der Nase 13 und dem Auslösehebel 9 beim Anliegen der Nase 13 an letzterem entsteht, nicht überwinden kann, so dass sie funktions- mässig nur dafür vorgesehen ist, um nach der Auslösung des Schaltermechanismus den Auslösehebel 9 wieder in seine Ausgangslage zurückzustellen.
Die mechanische Verstärkerwirkung dieses elektromechanischen Wandlers ist aus dem Kraft-WegDiagramm in Fig. 2 zu ersehen. In diesem, in dem P eine Kraft und S eine Amplitudengrösse bzw. den von der Tauchspule 2 zurückgelegten Weg bedeuten, stellen die Gerade 16 die Kraft-Weg-Verhältnisse der Tauchspule 2 ohne den U-förmigen Dauermagneten 5 und die Kurve 17 die Kraft-Weg-Verhältnisse nur für den U-förmigen Dauermagneten 5 dar. Aus diesen beiden Linienzügen ergibt sich als Resultierende eine Kurve 18.
Sobald die Tauchspule 2 nach Erregung eine Amplitudengrösse 19 erreicht hat, die den Dauermagneten 5 dem Anschlag 9 so nahe bringt, dass die auf die Tauchspule 2 wirkende Kraft ihre Richtung umkehrt, bewegt sich die Tauchspule 2 infolge dieser magnetischen Kräfte bis zum Anschlag 8 weiter, was im vorliegenden Diagramm einer Amplitudengrösse 20 entspricht. Dadurch wirkt nun die volle potentielle Federenergie, deren Grösse mit dem Diagrammpunkt 21 angegeben ist, auf den Auslösehebel 9 ein. Die bei dieser Anordnung zur Auslösung eines mechanischen Schaltvorganges zur Verfügung stehende Leistung ist durch das LeistungsdreieckO-20-21 graphisch dargestellt. Demgegenüber ist die von aussen zugeführte elektrische Energie bedeutend geringer und im Diagramm auf die schraffierte Fläche beschränkt, die durch die Kurve 18 und die Abszisse eingeschlossen ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3. in der für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet sind, ist die Anordnung so getroffen, dass der Auslösehebel 9 bei der Einwirkung der magnetischen Kräfte des Dauermagneten 5 auf den Anschlag 8 unbeweglich bleibt und bei der Einwirkung der kinetischen Energie der Tauchspule 2 auf dem Anker 8 sein die Nase 13 sperrendes Ende nach abwärts schwenken kann.
Im Kraft-Weg-Diagramm der Fig. 4 ist die mechanische Verstärkerwirkung, nunmehr bei Ausnutzung derkinetischenEnergiederTauchspule 2, dargestellt. Auch hier bedeuten P die Kraft und S den Weg bzw. die Grösse derSchwingungsamplitude derTauchspule 2. Sobald die Tauchspule 2 nach Erregung eine Am- plitudengrösse 22 erreicht hat, wird sie sich infolge der Anziehung des U-förmigen Dauermagneten 5 und
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des als Anker ausgebildeten Anschlages 8 mit grosser Beschleunigung bis zu diesem hin bewegen, was im vorliegenden Diagramm einer Amplitudengrösse 23 entspricht. Die während dieser Zeit auf den Anschlag
8 wirkenden magnetischen Kräfte haben keine Bewegung des Auslösehebels 9 zur Folge, da ihn die Stell- schraube 14 in der einen Bewegungsrichtung sperrt.
Unmittelbar nach Auftreffen des U-förmigen Dauer- magneten 5 auf den Anschlag 8 bewegen sich beide Teile, der Dauermagnet 5 und der Anschlag 8, ent- sprechend dem Impulssatz weiter, wodurch der Auslösehebel 9 an diesem Ende angehoben und an seinem, die Nase 13 sperrenden Ende nach abwärts bewegt wird und diese freigibt. Wie aus dem Diagramm zu ersehen ist, entspricht die der Tauchspule 2 zugeführte elektrische Energie der schraffierten Fläche 24 und die von ihr abgegebene mechanische Arbeit der bedeutend grösseren schraffierten Fläche 25.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen, dass die sinnvolle Verknüpfung der Vorteile eines Differentialtransformators und eines Tauchspulsystemes in Verbindung mit einer zusätzlichen magnetschen Anordnung ohne besondere Aufwendungen zu einem elektromechanischen Wandler von bisher unerreichter Ansprechempfindlichkeit und hohem Leistungsvermögen geführt hat.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromechanischer Wandler, bei welchem der mit Differenz-Strom beaufschlagte Ausgang eines Differenz-Transformators an ein auf einen Auslösehebel wirkendes Tauchspulsystem angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einander zugeordneten Anschlägen (8 bzw. 5y des Auslösehebels (9) und des beweglichen Teiles (2 - 4) des Tauchspulsystemes (1 - 4), die sich in Ruhelage des letzteren nicht berühren, ein zusätzliches Magnetfeld besteht, das vorzugsweise durch einen an dieser Stelle eingesetzten Dauermagneten (5) erregt wird.