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Die
Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum Einschalten eines
Elektrogeräts. Darüber hinaus betrifft die Erfindung
einen in einer solchen Schalteinrichtung verwendbaren Energiewandler,
ein Elektrogerät mit einer entsprechenden Schalteinrichtung und
ein Verfahren zum Einschalten eines Elektrogeräts.
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Unter
dem Begriff Elektrogerät ist dabei im Folgenden jeder elektrisch
betriebene Gebrauchsgegenstand im privaten oder gewerblichen Bereich
zu verstehen, insbesondere elektrische Haushaltsgeräte
wie die so genannte „weiße Ware" (d. h. Geräte
zur Erledigung der Hausarbeit wie Waschmaschinen, Spülmaschinen,
Trockner, Herde etc.), thermische oder motorische Kleingeräte,
die so genannte „braune Ware" (d. h. Geräte der
Unterhaltungselektronik), aber auch Heizungen, Heimwerkergeräte,
Raumklimageräte, Leuchten, Messgeräte, Körperpflegegeräte,
Wellnessgeräte oder elektrisches Spielzeug. Üblicherweise
werden solche Elektrogeräte, sofern sie nicht ausschließlich
batterie- oder akkubetrieben sind, mittels eines Energieversorgungsanschlusses an
eine externe Energieversorgung angeschlossen. Hierbei handelt es
sich meist um ein öffentliches Stromnetz bzw. das Hausstromnetz,
weshalb der Energieversorgungsanschluss in der Regel als Netzanschluss
bezeichnet wird.
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Diese
Elektrogeräte weisen einen sog. Netzschalter auf, mit dem
der Benutzer die Energieversorgung manuell ein- und abschalten kann,
indem eine Leitung, die vom Energieversorgungsanschluss im Inneren
des Geräts zu einer Betriebseinheit, beispielsweise der
Steuerelektronik oder sonstigen, elektrische Leistung benötigenden
Komponenten des Elektrogeräts führt, unterbrochen
wird bzw. bei einem Einschalten des Elektrogeräts wieder
verbunden wird. Bei einem solchen Schalter kann es sich um einen
klassischen Kippschalter, einen Taster, um einen Drehschalter oder
dergleichen handeln. Insbesondere bei größeren
Geräten wie Haushaltsgeräten, die zur weißen
oder braunen Ware zählen, befinden sich diese Netzschalter
meist in einer Bedieneinheit an einer Frontblende an der Vorderseite
des Geräts. Im Rahmen eines modernen Designs werden neuere
Geräte jedoch oftmals nicht mehr mit einem solchen Netzschalter
ausgestattet, sondern mit kleinen elektronischen Tasten oder Bedienelementen, die
in sogenannten Bedienoberflächen oder „Touch-Panels"
integriert sind. Insbesondere z. B. bei Großgeräten
wie z. B. Elektroherden, die mit Netzspannungen arbeiten, oder Spül-
oder Waschmaschinen, bei denen der Bediener mit Feuchtigkeit in Verbindung
kommen kann, ist es aus sicherheitstechnischen und/oder aus Gestaltungsgründen
zudem sinnvoll, im Frontbereich anstelle der klassischen Netzschalter,
die ummittelbar die Netzspannung unterbrechen, geeignete nicht mit
der Netzspannung in Berührung kommende Taster zu verwenden,
mit denen das Gerät eingeschaltet werden kann. Eine derartige
Konstruktionsweise bedingt aber, dass zur Energieversorgung des
Einschalttasters sich das jeweilige Gerät im sogenannten „Standby-Betrieb"
befindet, in dem die Stromversorgung des Elektrogeräts
nicht komplett abgeschaltet ist. Dies führt wiederum dazu,
dass das Gerät auch im ausgeschalteten Zustand, wenn es
eigentlich nicht benötigt wird, permanent eine Restmenge
an Energie verbraucht. Bezüglich des einzelnen Elektrogeräts
ist dies zwar nur ein sehr geringer Betrag, jedoch summieren sich
die durch Elektrogeräte im Standby-Betrieb verbrauchte
Energiebeträge weltweit zu einer sehr hohen Energiemenge
auf, so dass ein Standby-Betrieb aus Gründen des Umweltschutzes und
der Ressourcenschonung vermieden werden sollte.
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Eine
Möglichkeit wäre, auch bei moderneren Geräten
wieder Netzschalter der klassischen Art einzuführen, die
der Benutzer manuell betätigt, um die Betriebseinheiten
des Elektrogeräts komplett vom Energieversorgungsanschluss
zu trennen. Dies hat aber zum einen die bereits oben erläuterten
sicherheitstechnischen Nachteile bzw. der Netzschalter muss aufwendig
so hergestellt sein, dass er spezielle Sicherheitsvorgaben erfüllt.
Zum anderen sind die klassischen Netzschalter nur schwer in ein
modernes Bedienfelddesign zu integrieren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Schalteinrichtung
sowie ein alternatives Verfahren zum Einschalten eines Elektrogeräts und
ein entsprechendes Elektrogerät zu schaffen, mit dem sämtliche
elektrischen Sicherheitsvorschriften problemlos eingehalten werden
können und zudem auf einen Standby-Betrieb des Elektrogeräts
verzichtet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schalteinrichtung gemäß Patentanspruch
1, ein Elektrogerät gemäß Patentanspruch
17 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
21 gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist einen
im oder am Gehäuse des Elektrogeräts angeordneten,
von einem Bediener des Geräts manuell zu betätigenden
elektromechanischen Energiewandler zur Umwandlung eines kinetischen
Schaltimpulses in einen elektrischen Impuls auf. Dieser Energiewandler
ist mit einer Energieversorgungsschalteinheit schaltungstechnisch
gekoppelt, wobei die Energieversorgungsschalteinheit in einem ersten Schaltzustand
den Energieversorgungsanschluss mit einer Betriebseinheit des Elektrogeräts
verbindet und in einem zweiten Schaltzustand die Betriebseinheit
des Elektrogeräts vom Energieversorgungsanschluss trennt.
Unter dem Energieversorgungsanschluss ist dabei zumindest eine stromführende
Leitung, beispielsweise bei einem Netzanschluss zumindest die Phasenleitung,
und unter der Betriebseinheit ein Netzteil, eine Steuerelektronik
oder sonstige Komponenten des Geräts zu verstehen, die
mit Hilfe der elektrischen Energie betrieben werden. Es kann sich
hierbei auch um eine Kombination verschiedener Betriebseinheiten
handeln, die alle durch die Energieversorgungsschalteinheit mit
dem Energieversorgungsanschluss verbunden oder von diesem getrennt
werden. Die Energieversorgungsschalteinheit kann auch aus mehreren Teileinheiten bestehen,
welche verschiedene Betriebseinheiten des Elektrogeräts
(sofern dieses mehrere getrennte Betriebseinheiten aufweist) jeweils
vom Energieversorgungsanschluss oder von verschiedenen Teil-Energieversorgungsanschlüssen
trennt bzw. mit diesen Anschlüssen verbindet. Die Kopplung
des Energiewandlers mit der Energieversorgungsschalteinheit erfolgt
dabei über geeignete Leitungen im Elektrogerät
so, dass die Energieversorgungsschalteinheit, wenn sie sich im zweiten
Schaltzustand befindet, durch einen bei einer mechanischen Betätigung
des Energiewandlers erzeugten elektrischen Impuls in den ersten
Schaltzustand geschaltet wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einschalten
des Elektrogeräts wird mittels eines im oder am Gehäuse
des Elektrogeräts montierten, manuell zu betätigenden
elektromechanischen Energiewandlers ein kinetischer Schaltimpuls
in einen elektrischen Impuls umgewandelt. Mittels dieses elektrischen
Impulses wird eine Energieversorgungsschalteinheit, die in dem ersten
Schaltzustand den Energieversorgungsanschluss mit der Betriebseinheit
des Elektrogeräts verbindet und in einem zweiten Schaltzustand
die Betriebseinheit vom Energieversorgungsanschluss trennt, vom
zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand geschaltet.
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Der
Kernpunkt der Erfindung besteht folglich darin, zur Vermeidung eines
Standby-Zustands zur Einschaltung des Elektrogeräts einen
elektromechanischen Energiewandler zu verwenden, der bei einer Betätigung
eines Betätigungselements des Energiewandlers den vom Bediener
abgegebenen kinetischen Schaltimpuls in einen elektrischen Impuls
umwandelt, um diesen elektrischen Impuls dann zum Umschalten der
Energieversorgungsschalteinheit des Elektrogeräts zu nutzen.
Ein solcher elektromechanischer Energiewandler ist vollkommen energieautark,
d. h. es wird keinerlei Energieversorgung benötigt, um
den Energiewandler betriebsbereit zu halten. Er kann in Form eines
Tasters aufgebaut sein, bzw. einen Taster als Betätigungselement
aufweisen, der sich leicht in eine Bedienfläche, insbesondere
die Frontblende eines beliebigen Elektrogeräts, einbauen
lässt. Da der Energiewandler schaltungstechnisch mit der
eigentlichen Energieversorgungsschalteinheit über geeignete
Leitungen gekoppelt ist, besteht kein direkter Kontakt des Bedieners
mit der Energieversorgungsschalteinheit, an welcher die Netzspannung anliegt.
Die Schalteinrichtung erfüllt also höchste Sicherheitsanforderungen.
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Zur
Schaffung eines erfindungsgemäßen Elektrogeräts
muss dieses lediglich mit einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung ausgerüstet sein. Grundsätzlich
ist es dabei auch möglich, bereits in Serie laufende Gerätetypen
so umzurüsten, dass sie anstelle von bisher verwendeten
Schaltern nun mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
ausgestattet werden. Umfangreichere Design- oder Konstruktionsänderungen
sind nicht erforderlich, so dass relativ schnell, kostengünstig
und mit geringem Neukonstruktionsaufwand erfindungsgemäße
Elektrogeräte produziert werden können.
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Elektromagnetische
Energiewandler sind bereits zum Einsatz in Fernschaltern bekannt,
welche ohne eine Netzspannung auskommen müssen. Dabei wird
durch den elektromagnetischen Impuls, der durch die mechanische
Betätigung im Energiewandler generiert wird, eine Sendeeinheit
in Betrieb genommen, welche einen entsprechenden Funkimpuls aussendet,
der wiederum ein Relais oder dergleichen schaltet. Ein typischer
Einsatz hierfür ist die Nutzung solcher Funkfernschalter
zur Schaltung von Beleuchtungen, wenn zusätzliche Einschalter
benötigt werden und eine Verlegung von weiteren Leitungen
zu aufwändig oder nicht machbar wäre. Auf Seiten
der elektrischen Einrichtung, die geschaltet werden soll, wird hierzu
aber ein Empfänger im Standby-Modus benötigt,
der das relativ schwache Signal des Senders empfängt, verstärkt
und dekodiert, um dann den Schaltbefehl auszuführen. Ein
elektromagnetischer Energiewandler für einen solchen Einsatz
wird beispielsweise in der
DE
103 15 765 B4 beschrieben, wobei diese Schrift auch einen
relativ guten Überblick über den Stand der Technik
bezüglich solcher Energiewandler gibt.
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Der
dort beschriebene elektromagnetische Energiewandler weist einen
Permanentmagneten und ein dazu bewegliches Element auf, das von
einer elektrischen Spule umschlossen ist. In eine erste Ruhelage
des beweglichen Elements ist ein magnetischer Fluss durch das bewegliche
Element geschlossen. Bei einer Bewegung des beweglichen Elements in
eine zweite Ruhelage wird eine Umkehrung des magnetischen Flusses
im magnetischen Element bewirkt. Der Permanentmagnet ist so ausgebildet,
dass sich dessen magnetische Nord- und Südpole jeweils an
den Enden des beweglichen Elements gegenüber befinden und
dabei Anschläge für das bewegliche Element bilden.
Damit das bewegliche Element innerhalb der Spule gekippt werden
kann, befindet sich zwischen Spule und beweglichem Element ein Freiraum.
Bei dieser Konstruktion werden daher nur relativ geringe Spannungen
und Leistungen erreicht.
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Für
den erfindungsgemäß gewünschten Einsatz
zum autarken Schalten einer Energieversorgungsschalteinheit in einem
Gerät, welches sich nicht im Standby-Modus befindet, ist
bei den bisher bekannten und auf dem Markt befindlichen Energiewandlern
die erreichbare Spitzenspannung und die erreichbare Leistung der
Strompulse zu gering, um für ein sicheres Schalten zu sorgen.
Besonders bevorzugt wird daher in der erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung ein Energiewandler gemäß Patentanspruch
13 eingesetzt. Dieser Energiewandler weist ein feststehendes Joch
auf, welches zumindest zwei Enden mit jeweils einer ersten Polfläche
aufweist und in einem Bereich zwischen den Enden von zumindest einer
Induktionsspule umwickelt ist. Der Energiewandler besitzt zudem
einen permanentmagnetischen Anker, welcher an zwei Enden jeweils
eine erste Anker-Polfläche aufweist und um eine Drehachse so
am Joch drehbar gelagert ist, dass in einer ersten Drehstellung
des Ankers die ersten Anker-Polflächen jeweils, unter Bildung
eines Anschlags für die erste Drehstellung, an den ersten
Joch-Polflächen an den beiden Enden des Jochs anliegen.
Außerdem weist der Energiewandler ein Betätigungselement
beispielsweise in Form einer Taste zur Bewegung des Ankers durch
eine externe mechanische Kraft aus der ersten Drehstellung in eine
zweite Drehstellung auf, wobei in der Induktionsspule elektrische
Energie induziert wird.
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Grundsätzlich
können aber auch elektromechanische Energiewandler ganz
anderer Bauarten, z. B. neben elektromagnetisch arbeitenden Schaltern auch
piezoelektrische Schalter o. ä. für den erfindungsgemäßen
Einsatz genutzt werden, so lange sie einen ausreichend großen
elektrischen Impuls bzw. eine ausreichende Energie liefern.
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Die
abhängigen Ansprüche sowie die weitere Beschreibung
enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung. Dabei können die abhängigen Ansprüche
einer Kategorie auch die unabhängigen Ansprüche
der jeweils anderen Kategorien weiterbilden.
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Besonders
bevorzugt ist die Schalteinrichtung so aufgebaut, dass der bei der
mechanischen Betätigung des Energiewandlers erzeugte elektrische
Impuls die Energieversorgungsschalteinheit unmittelbar schaltet,
d. h. dass keine aktive weitere Verstärkung, Kodierung,
Dekodierung oder sonstige Bearbeitung des Impulses erforderlich
ist, sondern allenfalls passive Bauelemente wie z. B. Kondensatoren
zum eventuellen Glätten des Pulses etc. verwendet werden.
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Je
nach Art des Elektrogeräts kann die Energieversorgungsschalteinheit
eine Wechselstrom-Schalteinheit und/oder eine Gleichstrom-Schalteinheit
umfassen. In der Regel wird entweder nur eine Wechselstrom-Schalteinheit
oder eine Gleichstrom-Schalteinheit benötigt. Grundsätzlich
ist aber auch denkbar, dass die Energieversorgungsschalteinheit
sowohl eine Wechselstrom-Schalteinheit als auch eine Gleichstrom-Schalteinheit
jeweils als Teil-Energieversorgungs-Schalteinheiten umfasst, um
verschiedene Betriebseinheiten des Elektrogeräts mit dem
Energie versorgungsanschluss in der für die jeweilige Betriebseinheit
sinnvollen Weise zu verbinden.
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Bei
einer Gleichstrom-Schalteinheit ist dem Energieversorgungsanschluss,
sofern es sich hierbei um einen Wechselspannungsanschluss handelt,
vorzugsweise ein Gleichrichter nachgeschaltet, welcher sich z. B.
direkt eingangsseitig am Energieversorgungsanschluss des Elektrogeräts
befindet, und die Energieversorgungsschalteinheit ist zwischen Gleichrichter
und Betriebseinheit geschaltet.
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An
dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Energieversorgungsanschluss zwar
in den meisten Fällen um einen Netzanschluss handelt. Grundsätzlich
muss es sich bei der Energieversorgung aber nicht um ein Energieversorgungsnetz
handeln, sondern es kann sich auch um eine andere Energieversorgung,
beispielsweise eine eigene Stromversorgung des Elektrogeräts,
ein Notstromaggregat o. Ä. handeln.
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Die
Energieversorgungs-Schalteinheit kann durch verschiedenste Schaltungen
realisiert werden. Eine Schaltung, welche sich insbesondere auch
zum Schalten von Wechselstrom anbietet, ist eine Relaisschaltung
mit einem oder mehreren Relais. Ebenso kann hierfür eine
Thyristor-Schaltung, vorzugsweise eine Triac-Schaltung, genutzt
werden, welche auch in der Lage ist, Wechselstrom zu schalten. Eine
weitere bevorzugte Variante ist eine Transistor-Schaltung, insbesondere
mit Feldeffekttransistoren, vor allem so genannten Leistungs-MOSFETs,
die in der Lage sind, höhere Leistungen zu schalten. Dabei hängt
es von der Art der Schaltung ab, ob eine Schaltung von Wechselstrom
oder nur eine Gleichstromschaltung möglich ist. Grundsätzlich
kann die Energieversorgungsschalteinheit auch aus mehreren Komponenten
der oben genannten Arten realisiert werden.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Energiewandler
und die Energieversorgungsschalteinheit miteinander so schaltungstechnisch gekoppelt,
dass die Energieversorgungsschalteinheit, wenn sie sich im ersten
Schaltzustand befindet, durch einen bei einer Betätigung
des Energiewandlers erzeugten elektrischen Impuls in den zweiten
Schaltzustand geschaltet wird. In diesem Fall lässt sich
also der Energiewandler nicht nur als Einschalter, sondern auch
als Ausschalter verwenden.
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Dies
bietet sich insbesondere an, wenn die Energieversorgungsschalteinheit
inhärent bistabil ausgebildet ist. Bistabile Energieversorgungsschalteinheiten
können beispielsweise durch geeignete Relais realisiert
werden.
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Eine
Alternative zur Verwendung einer inhärent bistabilen Energieversorgungsschalteinheit
ist die Nutzung einer Halte-Schaltung, die die Energieversorgungsschalteinheit
nach einem Umschalten vom zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand
im ersten Schaltzustand hält. Auf diese Weise können
auch monostabile Schalteinheiten quasi bistabil gemacht werden.
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Die
Halte-Schaltung kann beispielsweise einen Signalgeber aufweisen
oder mit einem Signalgeber, beispielsweise als Teil einer Betriebseinheit
des Elektrogeräts, gekoppelt sein, wobei der Signalgeber über
den Energieversorgungsanschluss mit Energie versorgt wird, wenn
sich die Energieversorgungsschalteinheit im ersten Schaltzustand
befindet. Der Signalgeber kann dann permanent ein Signal ausgeben,
um die Energieversorgungsschalteinheit im ersten Schaltzustand zu
halten.
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Vorzugsweise
weist die Schalteinrichtung einen mit der Energieversorgungsschalteinheit
gekoppelten Signalgeber auf, der so ausgebildet ist und/oder von
einer Betriebseinheit des Elektrogeräts so angesteuert
wird, dass die Energieversorgungsschalteinheit in Abhängigkeit
von einem definierten Betriebsprogramm des Elektrogeräts
vom ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand umschaltet.
Das heißt, die Schalteinrichtung besitzt eine so genannte „Selbstabschaltung",
die in der Lage ist, das Elektrogerät ohne Eingreifen des
Benutzers auszuschalten. Dabei wird vom Energieversorgungsanschluss
tatsächlich eine echte Abschaltung der Betriebseinheiten
und nicht ein Umschalten in einen Standby-Zustand durchgeführt.
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Bei
diesem Signalgeber kann es sich auch um den Signalgeber handeln,
der innerhalb der Halte-Schaltung verwendet wird. In diesem Fall
wird der Signalgeber beispielsweise so von der Betriebseinheit des
Elektrogeräts angesteuert, dass er zum Ausschalten des
Elektrogeräts das Signal abschaltet, welches in der Halte-Schaltung
dafür sorgt, dass die Energieversorgungsschalteinheit im
ersten Schaltzustand bleibt. Es kann sich hierbei aber ebenso, insbesondere
bei einer Verwendung von bistabilen Energieversorgungs-Schalteinheiten,
um einen speziellen Signalgeber handeln, welcher einen Impuls ausgibt, um
eine Energieversorgungs-Schalteinheit aktiv vom ersten Schaltzustand
in den zweiten Schaltzustand umzuschalten. Bei beiden Varianten
ist es bevorzugt möglich, dass zusätzlich auch
der Benutzer über die Betätigung des Energiewandlers
die Energieversorgungs-Schalteinheit vom zweiten in den ersten Schaltzustand
umschalten kann. Das Elektrogerät weist hierzu vorzugsweise
eine Steuerelektronik auf, welche die Energieversorgungs-Schalteinheit
gemäß einem bestimmten Programmablauf in den zweiten Schaltzustand
zurückschaltet. Ein typisches Beispiel ist das Abschalten
einer Waschmaschine, einer Spülmaschine oder eines Trockners,
wenn das Spül- bzw. Trocknerprogramm durchlaufen ist. Ebenso
kann für eine automatische Abschaltung eines Herds oder Ofens
gesorgt werden, wenn das gewünschte Programm abgelaufen
ist oder wenn im Rahmen eines Überwachungsprogramms festgestellt
wird, dass bestimmte Teile zu heiß werden oder sich beispielsweise
auf einer Herdplatte kein Topf befindet.
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Des
Weiteren kann der Energiewandler auch während des laufenden
Betriebs zur Eingabe von Steuerimpulsen für weitere Funktionen
wie z. B. Zwischenstopps, Programmänderungen etc., verwendet werden.
Hierzu kann der Ausgang des Energiewandlers zusätzlich
noch mit einem Eingang einer geeigneten Steuervorrichtung des Elektrogeräts
verbunden sein.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante weist die Schalteinrichtung
eine mit dem Energiewandler gekoppelte Prozessoreinheit auf, welche
im ausgeschalteten Zustand des Geräts, d. h. wenn sich die
Energieversorgungsschalteinheit im zweiten Schaltzustand befindet,
in einem Ruhemodus gehalten wird. Dies kann mit Hilfe eines Puffer-Energiespeichers
wie einer Batterie, eines ausreichenden Pufferkondensators etc.
erfolgen. Bei Empfang eines Schaltimpulses vom Energiewandler wird
dann durch die Prozessoreinheit die Energieversorgungs-Schalteinheit
vom zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand umgeschaltet.
Bei dieser Variante können auch über die Prozessoreinheit
mittels des Energiewandlers während des laufenden Betriebs weitere
Funktionen des Elektrogeräts aktiviert oder deaktiviert
werden.
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Der
Energiewandler mit dem Betätigungselement ist in der Regel
in einer Bedieneinheit, beispielsweise einer Bedienfläche,
in der Frontblende des Elektrogeräts, angeordnet. Aus den
oben genannten Sicherheitsgründen ist die Energieversorgungs-Schalteinheit
dagegen bevorzugt in einem bedienerfernen Bereich im Gehäuse
des Elektrogeräts, z. B. bei Großgeräten
rückseitig im Gerät, angeordnet, so dass der Energiewandler,
welcher vom Bediener betätigt wird, und die Energieversorgungsschalteinheit,
welche unmittelbar die Netzspannung schaltet, möglichst
weit voneinander beabstandet sein können.
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Der
oben bereits beschriebene, bevorzugt eingesetzte Energiewandler
ist vorzugsweise so aufgebaut, dass sich an jedem der Enden jeweils
eine erste Anker-Polfläche und eine erste Joch-Polfläche sowie
eine zweite Anker-Polfläche und eine zweite Joch-Polfläche
gegenüberliegen.
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Besonders
bevorzugt weist der Anker an seinen Enden jeweils zueinander weisende
erste und zweite Anker-Polflächen auf, und das Joch und
der Anker sind so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass sich
die Enden des Jochs an den Enden des Ankers jeweils zwischen der
ersten und der zweiten Anker-Polfläche befinden. Alternativ
kann auch das Joch an seinen Enden jeweils zueinander weisende erste
und zweite Joch-Polflächen aufweisen, und das Joch und
der Anker sind so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass sich
die Enden des Ankers an den Enden des Jochs jeweils zwischen der ersten
und der zweiten Joch-Polfläche befinden. Das heißt,
in der ersten Variante dieses Ausführungsbeispiels ist
der Anker an den Enden jeweils gabelförmig ausgebildet
und weist auf den Innenseiten der beiden „Gabelzinken"
jeweils die Anker-Polflächen auf, und die Enden des Jochs
greifen zwischen die Gabelzinken. Bei der zweiten Variante ist es
genau umgekehrt; das Joch weist gabelförmige Enden auf,
wobei die Joch-Polflächen an den Innenseiten dieser „Gabelzinken"
sind und die Ankerenden jeweils zwischen die Zinken greifen. Ein
Vorteil beider Varianten kann sein, dass durch die jeweiligen außen
liegenden Polflächen Anschläge in den beiden Drehstellungen
des Ankers gebildet werden.
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Vorzugsweise
weist das Joch in einer Ebene parallel zur Drehachse und parallel
zu einer Längsachse der Induktionsspule einen U-förmigen
Querschnitt auf. Dabei ist die Induktionsspule vorzugsweise auf
den Querbalken des U-Querschnitts gewickelt und die beiden U-Schenkel
bilden die freien Enden des Jochs, welche jeweils die Joch-Polflächen
aufweisen. Somit steht auch bevorzugt die Drehachse senkrecht zur
Wickelachse bzw. Längsachsen der Induktionsspule, d. h.
die Längsachsen des Ankers und des mittleren, den U-Balken
bildenden Teils des Jochs liegen in parallelen Ebenen. Zur Bildung
der Drehachse kann das Joch beispielsweise zwischen den U-Schenkeln
einen sich parallel zu den U-Schenkeln erstreckenden Stift aufweisen.
Der Anker weist dann eine entsprechende Bohrung bzw. ein durchgehendes
Loch auf, durch welche der Stift hindurchragt, sodass der Anker
auf dem Stift um die Drehachse drehbar ist.
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Senkrecht
zu einer Längsachse der Induktionsspule ist das Joch dagegen
im Querschnitt vorzugsweise im Wesentlichen kreisförmig,
d. h. kreisrund oder leicht ellipsenförmig, oder besonders
bevorzugt zumindest annähernd quadratisch ausgebildet.
Diese Formen haben den Vorteil, dass die Induktionsspule sich gut
mit einer schnell laufenden Wickelmaschine dicht auf das Joch wickeln
lässt.
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Besonders
bevorzugt ist das Joch im Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse
der Induktionsspule im Wesentlichen viereckig, vorzugsweise rechteckig,
ausgebildet und einem Bereich der Induktionsspule nur an zwei gegenüberliegenden
ersten Seiten mit einer Mantelschicht bedeckt, welche an diesen
Seiten eine Isolationsschicht zwischen dem Spulendraht und dem Joch
bildet. An den beiden anderen gegenüberliegenden zweiten
Seiten des Jochs verbleibt dabei zwischen der Joch-Wandfläche
und der Induktionsspule nur ein nicht mit Material aufgefüllter
Luftspalt bzw. Hohlraum als Isolierung. Hierzu ragt die Mantelschicht,
welche die beiden ersten Seiten bedeckt, jeweils an den Kanten zu
den beiden angrenzenden zweiten Seiten ein kleines Stück über
die Kante hinaus, wodurch an den beiden Kanten der zweiten Seiten
jeweils ein wulstartiger Überstand gebildet wird, welcher
als Anlage für die Wicklung dient. Bei fester Umwicklung
des Jochs verbleibt dann automatisch an den zweiten Seiten der Luftspalt,
welcher vorzugsweise eine maximale Dicke von 0,1 mm aufweist. Durch
eine solche Konstruktion kann der Spulendraht bei ausreichender
Isolierung zumindest an zwei Seiten des Jochs sehr nahe am Joch
entlang geführt sein, was die Effizienz des Energiewandlers erheblich
steigert.
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Insbesondere
bei der zuvor beschriebenen Ausbildung des Jochs ist der Anker bevorzugt
so ausgebildet, dass er in einer Ebene senkrecht zur Drehachse einen
H-förmigen Querschnitt aufweist. Die H-Schenkel dieses
H-Ankers schließen dann jeweils die freien U-Schenkel des
Jochs zwischen sich ein, sodass sich die oben erläuterte
Ausführungsform ergibt, bei der der Anker an jedem seiner
beiden Enden jeweils zwei zueinander weisende erste und zweite Anker-Polflächen
aufweist, die das Jochende zwischen sich einschließen,
wobei sich jeweils eine erste Anker-Polfläche und eine
erste Joch-Polfläche sowie eine zweite Anker-Polfläche
und eine zweite Joch-Polfläche gegenüberliegen.
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Die
Joch-Polflächen und/oder die Anker-Polflächen
können jeweils bezüglich der Lage ihrer Oberflächen
so ausgebildet sein, dass die in den Drehstellungen jeweils voreinander
liegenden Polflächen planparallel aufeinanderliegen oder
in einem genau definierten, optimierten Winkel zueinander stehen.
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Ganz
besonders bevorzugt sind dabei die zwei an den Enden des Ankers
diagonal gegenüberliegenden zweiten Anker-Polflächen
kleiner ausgebildet als die ersten Anker-Polflächen und/oder
zwei an den beiden Enden des Jochs diagonal gegenüberliegende
zweite Joch-Polflächen sind kleiner ausgebildet als die
ersten Joch-Polflächen. Beispielsweise können
beim H-Anker zwei der diagonal gegenüberliegenden H-Schenkel
kürzer sein. Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass
durch die verringerten Querschnittflächen der zweiten Joch-Polflächen und/oder
zweiten Anker-Polflächen gegenüber den ersten
Joch-Polflächen und/oder ersten Anker-Polflächen
der magnetische Widerstand in der ersten Drehstellung kleiner ist
als in der zweiten Drehstellung.
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Alternativ
oder zusätzlich können zur Erhöhung des
magnetischen Widerstands, insbesondere zwischen den zweiten Anker-Polflächen
und den diesen zugeordneten zweiten Joch-Polflächen, jeweils Trennelemente,
z. B. Trennplättchen aus nichtmagnetischem Material, angeordnet
sein. Als Materialien hierfür bietet sich Edelstahl, beispielsweise
Nirosta, an. Eine weitere Alternative hierzu ist, durch einen weiteren
zusätzlichen Anschlag konstruktiv dafür zu sorgen,
dass zwischen der zweiten Anker-Polfläche und der zweiten
Joch-Polfläche immer ein kleiner Luftspalt verbleibt.
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Als
Material für das das Joch und die Eisenteile des Ankers
wird ein besonders gut magnetisch leitendes Material, beispielsweise
Weicheisen, verwendet. Der Anker kann aus verschiedenen Materialien
bestehen. Vorzugsweise hat er einen permanentmagnetischen Kern aus
Ferrit, z. B. Bariumoxid-Ferrit, aus Samarium-Kobalt, Aluminium-Nickel-Kobalt oder
Neodym-Eisen-Bor und gegebenenfalls weitere Teile aus Weicheisen,
die die Polschuhe bzw. Anker-Polflächen bilden.
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Sofern
dies in einem konkreten Einsatzfall gewünscht wird, können
auch zwischen den ersten Anker-Polflächen und den ersten
Joch-Polflächen Trennelemente bzw. Trennplättchen
angeordnet sein, um auch in der ersten Drehstellung den magnetischen
Widerstand etwas zu erhöhen. Die Trennelemente bilden dann
einen Teil der Anker-Polflächen oder Joch-Polflächen
und somit den Anschlag für die erste Drehstellung.
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Durch
die Ausgestaltungen der zweiten Anker-Polflächen und/oder
Joch-Polflächen mit einer verringerten Querschnittsfläche
und/oder durch Einsetzen von Trennelementen ist der Energiewandler
in einer bevorzugten Ausführungsform so ausgebildet, dass
die Magnetflussrichtung durch das Joch bei einer Verstellung des
Ankers von der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung, in
der die zweiten Anker-Polflächen an die zweiten Joch-Polflächen
(gegebenenfalls unter Zwischenlage der Trennelemente) anschlagen,
beibehalten wird oder der Magnetfluss in der zweiten Drehstellung
Null ist. Das heißt, es findet keine Magnetfeldumkehr statt,
sodass keine magnetischen Haltekräfte auf den Anker der
zweiten Drehstellung wirken. Sofern die Magnetflussrichtung beibehalten
wird, wird der Anker, sobald auf das Betätigungselement
keine externe Kraft mehr ausgeübt wird, automatisch von
der zweiten Drehstellung in die erste Drehstellung zurückgestellt.
Der Energiewandler kann so auch ohne eine Rückstellfeder
monostabil ausgebildet sein.
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Sofern
dies gewünscht wird, kann aber auch eine zusätzliche
Rückstellfeder verwendet werden, um den Anker von der zweiten
Drehstellung in die erste Drehstellung zurückzustellen.
Dies ist z. B. dann sinnvoll, wenn das Magnetfeld so ausgebildet ist,
dass beim Umschalten von der ersten in die zweite Drehstellung ein
Totpunkt-Effekt erreicht wird, bei dem der Anker ab einem bestimmten
Abstand der ersten Anker-Polflächen von den ersten Joch-Polflächen
mit reduzierter Kraft, nämlich nicht mehr gegen die Anziehungskraft
des Magneten zwischen den ersten Polflächen, in die zweite
Drehstellung bewegt werden kann.
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Das
Betätigungselement ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise
selbst als manuell bedienbare Taste oder Schalter ausgebildet oder
es ist alternativ mit einer manuell bedienbaren Taste oder Schalter gekoppelt.
Der Betätigungsweg des Betätigungselements zum
Schalten des Ankers von der ersten in die zweite Drehstellung liegt
vorzugsweise unter 2 mm, besonders bevorzugt bei max. 1,5 mm.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten
Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher
erläutert. Hieraus ergeben sich noch weitere Einzelheiten
und Vorteile der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung,
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2 eine
schematische Blockdarstellung eines Elektrogeräts mit einem
zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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3 eine
schematische Blockdarstellung eines Elektrogeräts mit einem
dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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4 eine
schematische Blockdarstellung eines Elektrogeräts mit einem
vierten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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5 eine
schematische Blockdarstellung eines Elektrogeräts mit einem
fünften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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6 eine
schematische Blockdarstellung eines Elektrogeräts mit einem
sechsten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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7 eine
schematische Blockdarstellung eines Elektrogeräts mit einem
siebten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung,
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8 eine
perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Energiewandlers von oben
mit geöffnetem Gehäuse in einer ersten Drehstellung,
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9 eine
Darstellung des Energiewandlers gemäß 1 in
einer zweiten Drehstellung,
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10 eine
perspektivische Darstellung des Jochs und des Ankers aus dem Energiewandler
gemäß den 1 und 2,
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11 einen
Querschnitt durch den Anker und das Joch mit der Induktionsspule
aus dem Energiewandler gemäß den 1 und 2,
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12 einen
Längsschnitt durch das Joch mit der Induktionsspule des
Energiewandlers gemäß den 1 und 2.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Schalteinrichtung. Diese Schalteinrichtung arbeitet mit einem bistabilen
Relais 60, welches zwei antiparallel auf einen Relaisanker wirkende
Spulen 63, 64 sowie zwei durch ein mechanisches
Element 65 miteinander gekoppelte Kontakte 61, 62 aufweist. Über
einen Kontakt 61 wird die Betriebseinheit des Elektrogeräts
mit dem Netzanschluss verbunden. In 1 ist die
Betriebseinheit einfach durch einen Lastwiderstand R repräsentiert. Bei
der Energieversorgung E handelt es sich beispielsweise um ein übliches
Stromnetz, welches einen Wechselstrom mit 230 Volt Effektivspannung
liefert. Neben der hier nicht dargestellten Erdleitung weisen derartige
Netzanschlüsse immer eine Phasenleitung P und eine Nullleitung
N auf.
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Wie
in 1 dargestellt, reicht es aus, wenn man den Netzanschluss 55 der
Phasenleitung P zum Verbraucher, hier dem Lastwiderstand R, mit
Hilfe des Relais 60 unterbricht. Grundsätzlich
ist es aber auch möglich, ein Relais zu verwenden, bei
dem noch ein weiterer Kontakt parallel geschaltet wird, um Null-
und Phasenleitung unterbrechen zu können.
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Der
zweite Kontakt 62 des Relais 60 dient zur internen
Beschaltung der Spulen 63, 64 mit dem Energiewandler 1.
Der genaue Aufbau eines solchen Energiewandlers 1 wird
noch anhand der 8 bis 12 näher
erläutert. Bei dem Relais 60 handelt es sich hier
um ein bistabiles Relais 60, welches nach dem Umschalten
in der jeweiligen Schaltstellung stabil verbleibt und nur durch
eine entsprechende Ansteuerung wieder in den anderen Schaltzustand
umkippt. Hierzu sind die beiden Spulen 63, 64 des
Relais 60 jeweils mit ihrem negativen Anschluss (–)
mit dem negativen Anschluss (–) des Energiewandlers verbunden.
Die positiven Anschlüsse (+) der Spulen 63, 64 sind
jeweils über den Schalter 62 mit dem positiven
Anschluss (+) des Energiewandlers 1 verbunden, wobei es
von der Schaltstellung des Kontakts 62 abhängt,
ob die erste Spule 63 oder die zweite Spule 64 mit
dem Energiewandler 1 verbunden ist.
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In
der in 1 dargestellten Schaltstellung der Kontakte 62 (nach
rechts gekippt) ist die erste Induktionsspule 63 mit dem
Energiewandler 1 verbunden. Wird nun ein Strompuls P im
elektromechanischen Energiewandler 1 durch die Betätigung
des Bedieners erzeugt, so wird in der Induktionsspule 63 ein
Magnetfeld induziert, welches dafür sorgt, dass im Relais
die Kontakte 61, 62 in die andere Schaltstellung
umklappen. Dadurch wird zum einen der Lastwiderstand R mit dem Netzanschluss 55 verbunden.
Zum anderen wird durch das Umschalten des Kontakts 62 die
Verbindung zwischen dem Energiewandler 1 und der ersten
Spule 63 unterbrochen und stattdessen eine Verbindung zwischen
dem Energiewandler 1 und der zweiten Spule 64 hergestellt.
Bei erneuter Betätigung des Energiewandlers liegt dann der
dabei erzeugte Strompuls SP an der zweiten Induktionsspule 64 an,
so dass durch diese ein Magnetfeld in der zur ersten Spule 64 umgekehrten
Richtung erzeugt wird, wodurch die Kontakte 61, 62 wieder
in die in 1 dargestellte Ausgangsstellung
zurückklappen, d. h. es wird der Kontakt des Verbrauchers
R zum Netzanschluss 55 wieder unterbrochen.
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Bei
der in 1 dargestellten Schalteinrichtung kann also der
Bediener das Relais 60 durch eine Betätigung des
elektromechanischen Energiewandlers sowohl ein- und ausschalten
und somit das komplette Elektrogerät ein- und wieder ausschalten.
Als optionale weitere Elemente weist die Schaltung zwei Kondensatoren 66, 67 auf,
die parallel zu den Spulen 63, 64 des Relais geschaltet
sind. Diese dienen dazu, den Spannungspuls SP, der vom elektromechanischen
Energiewandler kommt, etwas zu glätten, um so ein unbeabsichtigtes
Wiederzurückschalten, d. h. ein „Prellen", des
Schalters zu vermeiden.
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2 zeigt
eine sehr grobe schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Elektrogeräts 50.
Hierbei kann es sich um ein beliebiges Elektrogerät, beispielsweise
einen Kaffeeautomaten, eine Spülmaschine, eine Waschmaschine,
Trockner, Fernseher etc., handeln. Über einen Netzanschluss 55 ist
das Elektrogerät 50 mit einer externen Energieversorgung
E, hier wieder mit einem öffentlichen Netz mit 230 V Wechselspannung
verbunden, wobei dieses Stromnetz eine Phasenleitung P, an der die
Wechselspannung anliegt und einen Nullleiter N aufweist. Beide werden
in üblicher Weise, beispielsweise mit einem gewöhnlichen Netzstecker,
mit dem Elektrogerät gekoppelt. Als Energieversorgungsanschluss,
welcher im Folgenden auch einfach als „Netzanschluss" bezeichnet
wird, ist im Folgenden zumindest der Phasenleiter P zu verstehen,
da es in der Regel ausreicht, die Phasenleitung P zu unterbrechen,
um das Elektrogerät von der Energieversorgung abzukoppeln.
Daher ist nur dieser Anschluss mit der Bezugsziffer 55 versehen. Grundsätzlich
ist es aber möglich, wie dies in 2 dargestellt
ist, sowohl den Phasenleiter P als auch den Nullleiter N mit der
erfindungsgemäßen Schalteinrichtung zu schalten.
Dies ist insbesondere bei Geräten von Vorteil, bei denen
ein Netzstecker in unterschiedlicher Richtung in die Steckdose des
Netzes gesteckt werden kann und letztlich Null- und Phasenleitung
vertauscht werden können, wie dies zumindest in Deutschland
oft bei elektrischen Geräten und Leuchten der Fall ist.
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Erfindungsgemäß ist
das Elektrogerät 50 mit einem im Gehäuse 56 des
Elektrogeräts 50 angeordneten Energiewandler 1 ausgestattet,
welcher durch eine externe Kraft F, die ein Bediener durch drücken eines
Betätigungselements 5 auf den Energiewandlers 1 ausübt,
einen elektrischer Strom- bzw. Spannungspuls SP erzeugt. Bei dem
Betätigungselement 5 handelt es sich z. B. um
eine in eine Bedienoberfläche des Geräts 50 integrierte
Taste. Dieser Strompuls SP wird an eine Energieversorgungsschalteinheit 70 weitergeleitet,
die zumindest die Phasenleitung P – ggf. aber auch wie
hier in 2 die Nullleitung N – unterbricht
bzw. die Verbindung dieser Leitung zu einer Betriebseinheit 51 des
Elektrogeräts 50 einschaltet. Bei der Betriebseinheit 51 kann
es sich beispielsweise um das Netzteil 51 des Elektrogeräts 50 handeln,
welches die weiteren Betriebseinheiten 52 mit den benötigten
Spannungen versorgt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der
Energieversorgungsschalteinheit 70 um eine Relaisschaltung,
welche ähnlich wie die Schaltung in 1 aufgebaut
ist. Auch hierbei handelt es sich um ein bistabiles Relais mit zwei
Spulen 72, 73. Beide Spulen 72, 73 sind
mit ihrer negativen Seite mit Massepotential verbunden. Die Spulen 72, 73 sind
dabei so angeordnet, dass sie eine Kontaktanordnung 71 des
Relais 70 in unterschiedliche Schaltzustände schalten.
Die positive Seite der einen Spule 72 ist mit dem Energiewandler 1 verbunden,
so dass durch einen vom Energiewandler 1 gelieferten Spannungspuls
SP in der Spule 72 ein Magnetfeld induziert wird, welches
die Kontaktanordnung 71 in einen Zustand schaltet, in dem
Phase P und Nullleiter N mit dem Netzteil 51 verbunden
sind. Das heißt, das Elektrogerät 50 wird
eingeschaltet. Der positive Anschluss der zweiten Spule 73 ist
dagegen mit einer Signaleinheit 53 in einer Betriebseinheit 52,
beispielsweise einer Logikeinheit des Elektrogeräts 50, verbunden.
In dieser Logikeinheit 52 läuft ein bestimmtes
Arbeitsprogramm ab. Ist dieses Arbeitsprogramm beendet, so wird
ein Signal 53 an den positiven Eingang der zweiten Spule 73 gegeben,
wodurch hier ein Magnetfeld induziert wird, welches die Kontaktanordnung 71 des
Relais 70 wieder in den in 2 dargestellten
Ausgangszustand zurückschaltet und somit die Verbindung
des Netzteils 51 zum Netzanschluss 55 unterbricht.
Es handelt sich hierbei also um eine „Selbstabschaltung",
bei der das Gerät aufgrund einer vorgegebenen Programmierung
entscheidet, dass es sich selbst abschaltet. Damit auch der Bediener
das Elektrogerät 50 ausschalten kann, können
beispielsweise in einer Bedienoberfläche weitere elektronische
Taster vorgesehen sein, die auch von der Logikeinheit oder einer
sonstigen Steuerlogik abgefragt werden und bei Betätigung
eines hierfür vorgesehenen Aus-Tasters oder einer Kombination
von bestimmten Tasten wird entsprechend von der Logikeinheit 52 bzw.
deren Signalmodul 53 das entsprechende Signal an die Relaisschaltung 70 zum Abschalten
des Elektrogeräts 50 ausgegeben.
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Um
den Energiewandler 1 im laufenden Betrieb des Elektrogeräts 50 in
der zuvor beschrieben Weise zur Eingabe von Steuerbefehlen nutzen
zu können, kann der Ausgang des Energiewandlers 1 über
eine Leitung 57 mit einem Eingang 58 der Logikeinheit 52 verbunden
sein. Es ist dann insbesondere auch eine Abschaltung des Elektrogeräts 50 über
die Logikeinheit 52 durch erneute Betätigung des
Energiewandlers 1 möglich. Eine solche optionale
Verbindung des Energiewandlerausgangs mit einem Eingang der Logikeinheit 52 kann
auch in den weiteren Ausführungsbeispielen realisiert werden,
auch wenn die Verbindung in den jeweiligen Figuren nicht dargestellt
ist.
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Alternativ
können der Signalausgang des Energiewandlers 1 und
der Signalausgang des Signalmoduls 53 der Steuerlogik 52 auch über
eine Oder-Schaltung an die Relaisschaltung 70 gegeben werden,
so dass auch ein Ausschalten über den Energiewandler 1 möglich
ist.
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Es
ist klar, dass innerhalb des Elektrogeräts 50 noch
eine beliebige Anzahl weiterer nicht dargestellter Betriebseinheiten
vorhanden sein können, die beispielsweise alle über
das Netzteil 51 mit den benötigten Spannungen
versorgt werden.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Elektrogeräts 50. Der Aufbau ist insgesamt sehr ähnlich
dem Aufbau in 2. Lediglich wird hier eine
andere Energieversorgungsschalteinheit 80 eingesetzt. Dabei
handelt es sich um eine Schalteinheit 80 mit einem Triac 81,
welches nur die Phasenleitung P unterbricht. Der Nullleiter N ist permanent
mit dem Netzteil verbunden. Damit das Triac 81 den Wechselstrom
der Phasenleitung P zum Netzteil 51 durchschaltet, muss
an einem Eingang 83 des Triacs 81 eine bestimmte
Spannung angelegt werden. Bei einem solchen Triac 81, welcher
aus mehreren Thyristoren aufgebaut ist, handelt es sich um eine
monostabile Schaltung, d. h. es muss permanent am Eingang 83 ein
Spannungspegel anliegen, um das Triac 81 im durchgeschalteten
Zustand zu halten. Dies erfolgt zunächst mit Hilfe des
Spannungspuls SP, der bei einer Betätigung des Bedieners
vom Energiewandler 1 erzeugt wird. Nach Durchschalten des
Triacs 81 wird das Netzteil 51 mit der benötigten
Wechselspannung versorgt. Eine vom Netzteil 51 versorgte
Steuerlogik 52, die bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert
wurde, weist hier ein Signalmodul 53 auf, welches, sobald
die Steuerlogik 52 aktiv ist, ein Signal in Form eines
bestimmten Spannungspegels ausgibt, welches über eine Oder-Schaltung 82 der
Energieversorgungs-Schalteinheit 80 auf den Eingang 83 des
Triacs 81 gegeben wird, um das Triac 81 im durchgeschalteten
Zustand zu halten.
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Das
Abschalten des Elektrogeräts 50 erfolgt hier,
indem von der Steuerlogik 52 bzw. dem Signalmodul 53 die
Ausgabe des Signals, d. h. des Spannungspegels, an die Energieversorgungs-Schalteinheit 80 unterbrochen
wird, wodurch das Triac wieder zuschaltet. Die Oder-Schaltung 82 bildet
folglich gemeinsam mit dem Signalmodul 53 in der Steuerelektronik 52 eine
Art Halte-Schaltung für die Triacs 81, um diese
im geöffneten Zustand zu halten. Die Abschaltung kann,
wie zuvor im Zusammenhang mit 2 beschrieben,
nach einem Programmablauf erfolgen oder indem beispielsweise bestimmte
elektronische Tasten in einer Bedienoberfläche des Geräts, welche
der Benutzer drücken kann, abgefragt werden.
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4 zeigt
eine weitere Variante, bei der ebenfalls nur die Phasenleitung unterbrochen
wird. Hier wird anstelle der Triacs ein üblicher Transistor verwendet.
Grundsätzlich kann jeder beliebige Transistor verwendet
werden, welcher entsprechende Leistungen schalten kann. Da ein solcher
Transistor 91 nur Gleichspannung schalten kann, befindet
sich unmittelbar am Netzeingang 55 in der Phasenleitung P
ein Gleichrichter 94, der die Wechselspannung in Gleichspannung
umsetzt. Die Kollektorseite des Transistors 91 ist mit
diesem Gleichrichter 94 verbunden, die Emitterseite ist
mit dem Netzteil 51 verbunden. Die Basis des Transistors 91 ist
mit dem Ausgang des Energiewandlers 1 gekoppelt und erhält von
diesem zum Durchschalten den Spannungspuls SP. Da auch der Transistor 91 ein
monostabiles Schaltelement ist, ist es auch hier wieder erforderlich, über
eine Oder-Schaltung 93 sofort nach dem Einschalten von
einem Signalmodul 53 einer Steuerlogik 52 des
Elektrogeräts 50 ein Signal in Form eines konstanten
Spannungspegels auf die Basis des Transistors 91 zu geben.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches zu dem Ausführungsbeispiel
in 4 sehr ähnlich ist. Der einzige Unterschied
besteht darin, dass anstelle eines „normalen" Transistors 91 ein Feldeffekt-Transistor 101,
hier ein n-Kanal MOSFET 101 (Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor), verwendet wird. Der Source-Anschluss des MOSFET 101 ist
wiederum mit einem Gleichrichter 104 in der Phasenleitung
P verbunden und der Drain-Anschluss mit dem Netzteil 51 des
Elektrogeräts 50. Der Gate-Eingang ist über
eine Oder-Schaltung 103 einerseits mit dem Energiewandler 1 gekoppelt
und andererseits mit einem Signalmodul 53 in der Steuerlogik 52.
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6 zeigt
ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Elektrogeräts. Der Unterschied zwischen der Energieversorgungsschalteinheit 100 bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 zu
der in 6 gegebenen Energieversorgungsschalteinheit 110 besteht
darin, dass hier ein Doppel-MOSFET mit zwei seriell hintereinander gekoppelten
MOSFETs 111, 112 verwendet wird, um beide Halbwellen
auf der Phasenleitung P schalten zu können. Stattdessen
kann auf einen Gleichrichter verzichtet werden. Die Gates beider
MOSFETs 111, 112 sind parallel mit der Oder-Schaltung 114 verkoppelt,
die die Gates sowohl mit dem Energiewandler 1 als auch
mit dem Signalmodul 53 der Steuerlogik 52 verbindet,
um die MOSFETs 111, 112 im eingeschalteten Zustand
zu halten, so lange vom Signalgeber 53 der erforderliche
Spannungspegel ausgegeben wird.
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Bei
den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Schalteinrichtung
jeweils so aufgebaut, dass der elektrische Impuls des Energiewandlers
die Energieversorgungsschalteinheit unmittelbar schaltet. Es werden
allenfalls passive Bauelemente wie z. B. Kondensatoren zum Glätten
des Pulses etc. verwendet.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen
Prozessor 122, welches einen Schalter 121, beispielsweise
in Form eines Relais, schalten kann. Dieser Prozess 122 wird
mit Hilfe einer internen Energiequelle 124, beispielsweise
einer Batterie oder einem Akku, auch im ausgeschalteten Zustand
des Elektrogeräts 50 mit einer Restenergie versorgt.
Ein Eingang A des Prozessors 122 ist über eine
Oder-Schaltung 123 einerseits mit dem Ausgang des Energiewandlers 1 verbunden
und andererseits wiederum mit einem Signalgebermodul 53 der
Steuerlogik 52. Diese Energieversorgungsschalteinheit 120 funktioniert
so, dass bei einer Betätigung des Energiewandlers 1 durch
den Bediener der Strompuls SP auf den Eingang A des Prozessors gegeben
wird, um diesen aus seinem Schlafmodus aufzuwecken. Der Prozessor
schaltet daraufhin das Relais 121, woraufhin das Netzteil 51 mit
dem Netzanschluss 55 verbunden wird. Über den
Signalausgang 53 kann ein entsprechender Puls über
die Oder-Schaltung 123 an den Eingang A des Prozessors 122 gegeben
werden, der dann das Relais 121 wieder ausschaltet. Alternativ
kann das Ausschalten auch über einen erneuten Strompuls
SP des Energiewandlers 1 erfolgen.
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Im
Folgenden wird anhand der 8 bis 12 ein
bevorzugt eingesetzter Energiewandler 1 beschrieben. Dieser
Energiewandler 1 weist als Hauptkomponenten ein in einem
Induktionsspulenkörper 14 gehaltenes Joch 10 und
einen daran um eine Drehachse D schwenkbar gelagerten Anker 20 auf,
welche in einem Gehäuse 2 angeordnet sind. Das
Joch 10 und der Anker 20 sind besonders gut in den 10 und 11 zu
erkennen und die Lage dieser Teile innerhalb des Gehäuses 2 in
den 8 und 9.
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Am
Gehäuse 2 befindet sich ein Betätigungselement 5 in
Form einer Taste, mit der der Anker 20 durch eine externe
Kraft F, indem beispielsweise ein Benutzer auf einen Stößel 8 der
Taste 5 drückt, so dass der Stößel 8 gegen
den Anker 20 gedrückt wird, von einer ersten Drehstellung I (8)
in eine zweite Drehstellung II (9) gedrückt
werden kann. Der Betätigungsweg des Stößels 8 liegt
hier bei 1,5 mm.
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Hierzu
befindet sich an einem Durchbruch im Gehäuse 2 eine
Stößelführung 6, in der der
Stößel 8 längsverschiebbar gelagert
ist. Der Stößel 8 ist außenseitig
durch eine endseitig geschlossene, balgartige Gummimanschette 7,
welche den Stößel stirnseitig einschließt,
gegenüber dem Gehäuse 2 bzw. der Stößelführung 6 abgedichtet.
Alternativ oder zusätzlich kann der Stößel
auch unterhalb einer flexiblen Bedienoberflache des Elektrogeräts
angeordnet sein, welche noch weitere Tasten abdeckt und gegebenenfalls
auch Displayflächen oder dergleichen enthält.
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Im
Gehäuse 2 kann auch eine Rückstellfeder 4 (in 8 gestrichelt
dargestellt) angeordnet sein, hier in Form einer an der Längsseite
des Gehäuse 2 angeordneten Blattfeder, welche
bei Nachlassen der äußeren Kraft F den Anker 20 wieder
von der zweiten Drehstellung II in die erste Drehstellung I zurückdrückt.
Diese Feder 4 ist optional, das heißt, es kann bei
entsprechender Ausgestaltung des Ankers 20 und des Jochs 10,
insbesondere deren Polflächen, dafür gesorgt werden,
dass der Anker 20 von selbst wieder in die erste Drehstellung I zurückklappt,
sobald keine äußere Kraft F mehr am Taster 5 anliegt.
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Sowohl
der Anker 20 als auch das Joch 10 sind länglich
ausgebildet und die Längsachsen LS,
LA beider Elemente liegen im Wesentlichen,
abgesehen von der Drehstellung des Ankers 20 relativ zum
Joch 10, parallel zueinander (siehe 11).
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Vom
Grundaufbau her ist das Joch 10 U-förmig ausgebildet.
Dies ist besonders gut in dem Längsschnitt durch das Joch 10 in 12 zu
sehen. Die beiden U-Schenkel 11, 12 bilden dabei
die Enden des Jochs 10. Die Längsachse des Jochs 10 bzw.
die Längsachse des U-Balkens ist zugleich auch die Längsachse
LS der um den mittleren U-Balken zwischen
den beiden U-Schenkeln 11, 12 aufgewickelten Induktionsspule 30.
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Im
Querschnitt senkrecht zur Spulenlängsachse LS ist
das Joch 10 im Bereich des U-Querbalkens ungefähr
quadratisch, was in 11 zu sehen ist. Diese Konstruktion
trägt dazu bei, dass eine möglichst schnelle Umwicklung
des mittleren Bereichs des Jochs 10 mit dem Spulendraht
mit einer schnell laufenden Wickelmaschine erfolgen kann und dabei eine
möglichst enge und dichte Wicklung erreicht wird, und so
die Effizienz des Energiewandlers optimiert wird.
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In
der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das aus
Weicheisen bestehende Joch 10 in einem Induktionsspulenkörper 14 aus
Spritzguss-Kunststoff eingespritzt. Dieser Induktionsspulenkörper 14 schließt
das Joch 11 jeweils im Bereich der Übergänge
vom U-Balken in die U-Schenkel ringsum ein und nur an den Enden
ragen die U-Schenkel 11, 12 des Jochs 10 aus
dem Induktionsspulenkörper 14 heraus. In der Mitte
zwischen den U-Schenkeln 11, 12 des Jochs 10 ist
an den Induktionsspulenkörper 14 ein Stift 15 angespritzt,
welcher sich parallel zu den U-Schenkeln 11, 12 erstreckt
und welcher die Drehachse D für den Anker 20 bildet.
In den beiden Abschnitten des U-Balkens zwischen den U-Schenkeln 11, 12 und
dem Mittelbereich, in welchem der Stift 15 angespritzt
ist, ist das Joch 10 jeweils nur an zwei Seiten, hier den
parallel zu den U-Schenkeln 11, 12 verlaufenden
Seiten, von einer als Isolierung dienenden Kunststoffschicht 18 des
Induktionsspulenkörpers 14 abgedeckt. Vorzugsweise liegt
die Dicke d' des Kunststoffmantels 18 unterhalb von 1 mm,
besonders bevorzugt unterhalb von 0,5 mm und ganz besonders bevorzugt
bei maximal 0,3 mm, um die Induktionsspule 30 möglichst
eng auf den Weicheisenkern des Jochs 10 zu wickeln (siehe 11).
Diese Kunststoffschicht 18 ragt an den Kanten geringfügig über
die Seiten hinaus und bildet so eine längs der Kanten verlaufende
Wulst. Bei einer festen Umwicklung des Induktionsspulenkörpers 14 verbleibt
so jeweils ein kleiner Luftspalt 16 als Isolierung zwischen
den beiden anderen Seitenflächen des Jochs 10 (in 11 der
Oberseite und Unterseite) und der Induktionsspule 30. Die
Dicke d dieses Luftspalts 16 beträgt vorzugsweise
maximal ca. 0,1 mm.
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Durch
diese Art der Umspritzung des Jochs 10 ist der Induktionsspulenkörper 14 insgesamt
stabil und das Joch 10 ist ausreichend gegenüber
dem Spulendraht isoliert, so dass es auch bei einem Fehler in der
Isolierung des Drahts, der üblicherweise mit Isolierlack
versehen ist, nicht zu einem Kurzschluss zwischen Joch 10 und
Spule 30 kommen kann. Andererseits kann die Spule 30,
insbesondere wegen der Konstruktion mit dem Luftspalt, zur Optimierung der
Effizienz so eng wie möglich um das Joch 10 gewickelt
werden. Zusätzlich wird der gesamte Aufbau durch die eng
um das Joch 10 gewickelte Induktionsspule 30 verstärkt.
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Die
Enden der Induktionsspule 30 sind jeweils mit Spulenterminals
bzw. Abgriffen 3 verbunden, welche nach unten weggeführt
sind (siehe 10) und über die die
induzierte Spannung abgegriffen werden kann.
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Jedes
Ende bzw. jeder U-Schenkel 11, 12 des Jochs 10 bildet
zwei Joch-Polflächen 11a, 11b, 12a, 12b.
Dabei ist jeweils eine erste Joch-Polfläche 11a, 12a großflächiger
und eine zweite Joch-Polfläche 11b, 12b kürzer
ausgebildet, indem in einem Abschnitt 17 auf der Seite
der jeweils zweiten Joch-Polfläche 11b, 12b der
Kunststoff des Induktionsspulenkörpers 14 etwas
höher gezogen ist. Zudem weisen die zweiten Joch-Polflächen 11b, 12b jeweils
ein Trennplättchen 13 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise
Edelstahl, auf. Dadurch wird der magnetische Widerstand der zweiten
Joch-Polflächen 11b, 12b im Gegensatz
zu den ersten Joch-Polflächen 11a, 12a vergrößert.
Der Induktionsspulenkörper 14 ist dabei so ausgebildet
und die Trennplättchen 13 so aufgebracht, dass
sich die ersten Joch-Polflächen 11a, 12a und
die zweiten Joch-Polflächen 11b, 12b jeweils
bezüglich einer durch die Drehachse D verlaufenden Symmetrieachse
diagonal gegenüberliegen.
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Der
Anker 20 des Energiewandlers 1 ist aus mehreren
Komponenten aufgebaut. Im Inneren des Ankers 20 befindet
sich ein Permanentmagnetkern 23 vorzugsweise aus Samarium-Kobalt,
Aluminium-Nickel-Kobalt, Neodym-Eisen-Bor oder einem anderen besonders
starken permanentmagnetischen Material. Dieser Permanentmagnetkern 23 ist
so magnetisiert, dass seine Magnetfeldlinien senkrecht zur Drehachse
D und senkrecht zu einer Längsachse LA des
Ankers 20 verlaufen. Die Magnetfeldrichtung M ist in 11 schematisch
eingezeichnet. Grundsätzlich kann die Magnetfeldrichtung
M aber auch genau umgekehrt sein, da der gesamte Energiewandler 1 bezüglich
der Drehachse D symmetrisch aufgebaut ist.
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An
den beiden Längsseiten des Permanentmagnetkerns 23 erstrecken
sich jeweils über den gesamten Permanentmagnetkern 23 und
darüber hinaus Polschuhe 21, 22, beispielsweise
aus Weicheisen.
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Der
Permanentmagnetkern 23 ist gemeinsam mit den Polschuhen 21, 22 in
einem Vergusskörper 24 aus Kunststoff angeordnet,
welcher das gesamte Ensemble fest zusammenhält und so den kompakten
Anker 20 bildet, wobei die Polschuhe beidseitig aus dem
Vergusskörper 24 herausragen. Durch diesen Aufbau
weist der Anker 20 in einer Ebene senkrecht zur Drehachse
D einen H-förmigen Querschnitt auf, weshalb ein solcher
Anker 20 auch als H-Anker bezeichnet werden kann, wobei
hier, wie in den Figuren zu sehen ist, die Schenkel der Polschuhe 21, 22 asymmetrisch
ausgebildet sind.
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Die
Polschuhe 21, 22 des Ankers 20 können (in
einer senkrecht zur Drehachse D liegenden Querschnittfläche
betrachtet) an den Enden jeweils konisch ausgebildet sein, um einen
definierten Winkel zwischen den Joch-Polflächen 11a, 11b, 12a, 12b und
den Anker-Polflächen 21a, 22b, 22a, 21b in
der ersten und zweiten Drehstellung des Ankers 20 zu erreichen.
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Der
permanentmagnetische Kern 23 kann auch mehrteilig ausgebildet
sein. Z. B. kann er unter Belassung eines Freiraums für
ein Drehachsenführungsloch 25 zweiteilig ausgebildet
sein. In diesem Fall ist das Drehachsenführungsloch 25 in
den Vergusskörper 24 vorzugsweise gleich mit passend
eingespritzt. Dieses Drehachsenführungsloch 25 ist
so ausgebildet, dass es passgenau auf den Stift 15 des Induktionsspulenkörpers 14 passt
und der Anker 20 mit möglichst geringer Toleranz
frei auf dem Stift 15 drehbar gelagert werden kann, wie
dies in den 8 bis 12 dargestellt
ist. Sofern ein durchgehender Permanentmagnetkern verwendet wird,
kann in diesen auch eine entsprechende Durchgangsbohrung eingebracht
sein.
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Wie
in den 8 bis 10 zu sehen ist, ist bei jedem
der Polschuhe 21, 22 eines der beiden Enden, mit
denen er aus dem Vergusskörper 24 herausragt,
im Verhältnis zum jeweils anderen Ende verkürzt,
welches dagegen gerade sehr großflächig ausgebildet
und so lang ist, dass es im montierten Zustand fast bis an die Außenkante
des U-Schenkels 11, 12 des Jochs 10 heranragt.
Diese Enden bilden jeweils auf ihrer Innenseite die ersten Anker-Polflächen 21a, 22a,
welche den ersten Joch-Polflächen 11a, 12a gegenüberliegen.
Um den magnetischen Widerstand weiter zu verringern, sind die ersten
Anker-Polflächen 21a, 22a sogar noch
quer zur Längsachse LA des Ankers 20 vergrößert,
indem die Polschuhe an ihren Enden jeweils rechtwinklig nach unten
ausgeweitet sind. So wird möglichst viel von der am Joch
zur Verfügung stehenden ersten Joch-Polfläche 11a, 12a genutzt.
In einer diagonal durch den Anker 20 parallel zur Drehachse
D liegenden Ebene, welche durch die Polschuhbereiche mit den ersten Anker-Polflächen 21a, 22b verläuft,
weist der Anker 20 somit ebenfalls einen U-förmigen
Querschnitt auf, wobei die offene Seite des U-Querschnitts des Ankers 20 in
Richtung der offenen Seite des U-Querschnitts des Jochs 10 weist.
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Die
stark verkürzten Enden der beiden Polschuhe 21, 22 bilden
die zweiten Anker-Polflächen 21b, 22b.
Dabei liegt die zweite Anker-Polfläche 21b, die
durch das verkürzte Ende des ersten Polschuhs 21 (in 11 den
Nordpol N des Ankers 20) gebildet wird, der zweiten Joch-Polfläche 12b des
zweiten U-Schenkels gegenüber und die zweite Joch-Polfläche 22b,
welche durch den zweiten Polschuh 22 (in 11 den
Südpol S des Ankers 20) gebildet wird, liegt der
zweiten Joch-Polfläche 11b des ersten U-Schenkels 11 des
Jochs 10 gegenüber. Diese asymmetrische Ausbildung
führt dazu, dass in der ersten Drehstellung I sehr
große gegenüberliegende erste Joch-Polflächen 11a, 12a und
dazugehörige Anker-Polflächen 21a, 22a zur
Verfügung stehen, sodass in der ersten Drehstellung I der
magnetische Übergangswiderstand zwischen dem Anker 20 und dem
Joch 10 sehr gering ist. Die in der zweiten Drehstellung II (siehe 9)
jeweils aneinander anschlagenden zweiten Joch-Polflächen 11b, 12b und
zweiten Anker-Polflächen 22b, 21b sind
dagegen relativ klein, wobei durch die Trennplättchen 13 aus
nichtmagnetischem Material der magnetische Widerstand noch vergrößert
wird.
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Je
nach Wahl des magnetischen Materials und der Trennplättchenmaterialauswahl
bzw. -dicke kann so dafür gesorgt werden, dass sich das
Magnetfeld M durch das Joch 10 bei einer Verstellung des Ankers
von der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung nicht umdreht,
sondern allenfalls auf Null zurückgeht. Daher kann, wie
bereits eingangs erläutert, grundsätzlich auf
eine Rückstellfeder 4 verzichtet werden. Die asymmetrische
Ausbildung der jeweils an einem Jochende sich gegenüberliegenden Anker-Polflächen
hat im Übrigen den Vorteil, dass ein effektiver Energiewandler
mit einem sehr geringen Betätigungsweg realisiert werden
kann.
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Erste
Versuchsreihen mit einem so aufgebauten Energiewandler haben gezeigt,
dass unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der vom Benutzer
die Taste gedrückt wird, Spannungen von über 30 Volt
erreichbar sind, wobei die Leistung mit steigendem Lastwiderstand,
der als Nutzlast an den Spulenterminals angehängt wird,
bis zu 1,5 mWs ansteigt. Dabei wird eine Spannung von 25 Volt auch
noch bei Lastwiderständen im Bereich von 0,5 bis 3,5 kΩ erreicht.
Diese Werte reichen problemlos aus, um unmittelbar ein Relais in
der Energieversorgungsschalteinrichtung des Elektrogeräts
sicher anzusteuern. Eine Verstärkung des Signals durch
aktive Komponenten ist nicht erforderlich.
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Es
wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass
es sich bei den in den Figuren dargestellten Vorrichtungen und dem
Energiewandler sowie den im Zusammenhang damit erläuterten konkreten
Verfahren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche
vom Fachmann in vielfacher Hinsicht variiert werden können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es wird außerdem
der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die Verwendung
der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht
ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach
vorhanden sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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