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Kontaktlose Schalteinrichtung zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises
eines Verbrauchers Für diese Erfindung wird die Priorität aus der entsprechenden
USA.-Patentanmeldung Serial Nr. 759 401 vom 27. 9. 1958 beansprucht.
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Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum öffnen und Schließen
eines Stromkreises eines Verbrauchers, der seinerseits auch das Eingangsglied einer
weiteren Steuerschaltung sein kann.
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Es sind industrielle Steuersysteme entwickelt worden, welche elektrische
Signale benutzen, um Informationen auszusenden und Schaltoperationen. der Systeme
zu steuern. Eine dieser Entwicklungen solcher Systeme ist der Ersatz mechanischer
Relais durch statische magnetische Vorrichtungen, wie solche in Form magnetischer
Verstärker, gewesen. Die Steuersysteme benutzen Schalter, z. B_ Druckknopfschalter,
welche durch einen Bedienenden von Hand betätigt werden, um das erforderliche elektrische
Signal zu geben., und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine induktive
Vorrichtung zu schaffen, welche so betätigt werden kann., daß sie ein erwünschtes
elektrisches Signal abgibt, ohne die Anwendung von mechanisch miteinander in Eingriff
kommenden und voneinander sich lösenden Kontakten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich eine Ein: richtung der eingangs
angeführten Art gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine induktive Vorrichtung
mit einem in sich geschlossenen sättigungsfähigen Magnetkern und elektrisch in Reihe
geschalteten Wicklungen auf gegenüberliegenden Schenkeln desselben aus, welche zusammen
mit zwei in Reihe geschalteten Spannungsquellen mit Mittelanzapfung die vier Zweige
einer elektrischen Brückenschaltung bilden, in deren Ausgangsdiagonale der Verbraucherkreis
bzw. die in ihrer Speisung zu steuernde elektrische Einrichtung liegt. Ferner ist
erfindungsgemäß an dieser Anordnung ein derart in eine erste Betriebslage parallel
zu den Schenkeln des Eisenkernes gegenüber dem Eisenkern neutrale Lage verstellbarer
Dauermagnet vorhanden, oder es ist den Jochen des Eisenkernes ein Elektromagnet
zugeordnet, dessen Wicklung in ihrer elektrischen Speisung gesteuert werden kann.
Hierdurch wird in dem Zustand größter magnetischer Beeinflussung des die Wicklung
tragenden Eisenkernes der magnetische Fluß in dem einen Eisenkernschenkel relativ
zu dem magnetischen Fluß in dem anderen Eisenkernschenkel vergrößert und an der
Ausgangsdiagonale der elektrischen Brücke eine Spannung geliefert oder in dem Zustand
geringster magnetischer Beeinflussung des Eisenkernes durch den Magneten an den
Anschlußpunkten der Ausgangsdiagonale der Brücke die Spannung Null geliefert. Der
erste Zustand entspricht wegen der Durchlässigkeit der Brückenanordnung für den
Strom, welcher den Verbraucher oder das Steuerglied speist, dem Zustand eines geschlossenen
Schalters, während der zweite Zustand der Anordnung einem geöffneten Schalter entspricht.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele,
bei welcher sich noch weitere vorteilhaft in Verbindung mit der grundsätzlichen
Erfindung anwendbare Einzelmerkmale ergeben werden, wird nunmehr auf die Figuren
der Zeichnung Bezug genommen.
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Fig. 1 ist eine Schaltung einer Vorrichtung, welche ein Betätigungsglied
auf einem permanenten Magneten benutzt; Fig. 2 ist eine teilweise Schnittansicht
einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist und wobei das Betätigungsglied
in Form eines permanenten Magneten in ein Gehäuse für die Vorrichtung eingeschlossen
ist; Fig. 3 ist eine Schaltung, welche eine Anordnung einer Anzahl von Vorrichtungen
in Parallelschaltung zeigt; Fig.4a und 4b zeigen den allgemeinen Aufbau einer Vorrichtung,
welche ein elektromagnetisches Betätigungsglied benutzt; Fig. 5 und 6 sind Schaltungen,
welche verschiedene Wega zur Reihenbetätigung zweier Vorrichtungen zeigen;
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Fig. 7 -und 8 sind 'teilweise -Schnittansichten von Vorrichtungen, wobei ein Permanentmagnet-Betätigungsglied
von der Vorrichtung getrennt ist; und Fig. 9 und 10 zeigen verschiedene Anordnungen
einer Anzahl von Verrichtungen in einem einzigen Gehäuse. In allen diesen verschiedenen
Figuren der Zeichnung sind die gleichen. Teile mit denselben Bezugszeichen versehen
worden.
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In, denn Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Zeichnung umfaßt die
Vorrichtung einen in sich geschlossenen Kern 10 aus ferromagnetischem Material,
welcher sich bei einem vorbestimmten Flußwert sättigen wird, Zwei ähnliche Spulen
11 A und 11 B
sind auf entsprechende entgegengesetzte ähnliche Schenkel
10A und 10B des Kernes aufgewickelt, wobei die Spulen miteinander und mit der Mittelanzapfung
der Sekundärwicklung 13 eines Transformators 14 in Reihe geschaltet sind. Eine Primärwicklung
15 des Transformators wird mit Leistung von einer Spannungsquelle gespeist, die
nur den Klemmen 16 und 17 nach angedeutet ist. Der angezapfte Transformator kann
auch durch einen Autotransformator und eine angezapfte Drosselspule ersetzt werden.
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Der Wechselfluß in dem Kern, welcher sich durch den Strom ergibt,
der in den Spulen 11 E4 und 11 B fließt, hat eine Größe gerade unterhalb des Wertes,
welcher erforderlich ist, um die Kernschenkel 10A und 10B zu sättigen, und in diesen
Zuständen des Kernes ist die resultierende Potentialdifferenz zwischen der Mittelanzapfung
12 und einem Punkt 18 zwischen den beiden Spulen Null. In der Tat ist eine im Gleichgewicht
befindliche elektrische Brücke durch die beiden Spulen 11A und 11B
geschaffen. welche von gleicher Impedanz sind und zwei Zweige der Brücke darstellen
und die beiden Hälften der Wicklung 13, welche auch von gleicher Impedanz sind und
die beiden anderen Zweige der Brücke darstellen, geschaffen. Bei ausgeglichener
Brücke und der Potentialdifferenz Null wird kein Strom durch eine Schaltung 19 fließen,
die durch die Vorrichtung gesteuert werden soll, und die Vorrichtung ist in dem
Wirkungszustand, daß sie nach Art eines Schalters einen offenen bzw. unterbrochenen
Stromkreis schafft. In der Praxis kann es nicht möglich sein, den Strom im Zustand
des offenen Stromkreises vollständig zu Null zu machen, aber die notwendige Wirkung
wird erreicht, wenn die Schaltung 19 genügend unempfindlich auf den Strom des offenen
Schaltzustandes ist.
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Wenn jetzt ein Magnet 20 in seine in. Fig. 1 durch gestrichelte Linien
angedeutete Lage gebracht wird, so daß seine maggnetischeAchse parallel zu den Haupt-Achsen
der Spulen 11A und 11B liegt, dann. wird .der Fluß in jedem der Schenkel 10A und,
#QB die Summe der Wechselflüsse der Spulen. und des Flusses des Magneten, sein.
Der Magnetfluß ist so gewählt, daß er genügend groß ist, um einen der Schenkel zu
sättigen, so daß die Impedanzen der beiden Spulen wesentlich voneinander abweichen
und die Brücke nunmehr aus denn. Gleichgewicht gebracht ist, wobei sieh eine resultierende
Potentialdifferenz zwischen der Anzapfung 12 und dem Punkt 18 ergibt. Diese resultierende
Potentialdifferenz verursacht einen Stromfluß in dem Schaltungsteil 19, so daß die
Anwesenheit des Magneten in der Stellung, wie sie in gebrochenen Linien gezeigt
ist, die Vorrichtung in den Zustand der Wirksamkeit eines geschlossenen -Stromkreiszustandes
bringt, wobei der maxianale Stromfluß, der in dem Schaltungselement 19 erreicht
werden kann, von den Parametern der Schaltung der Vorrichtung und ihren zugeordneten
Magneten abhängig ist, Die resiltereride Potentialdifferenz ist vorwiegend die zweite
Harmonische der Speisefrequenz, und eine praktische Wirkung dieser Tatsache ist,
daß der Ausgangswert, welcher von der Vorrichtung 19 erhalten wird., unab@hä@gig
von der Richtung der magnetischen Nord-Süd-Achse des Magneten ist.
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In der Praxis ist der Magnet 20 von hoher Flußdichte, und demgemäß
muß er, wenn seine magnetische Achse parallel zu den Hauptspulenachsen verbleibt,
dann in eine relativ große Entfernung von der Vorrichtung bewegt werden, um die
letztere in einen zufriedenstellenden offenen Zustand zu bringen. Dieser Abstand
kann wesentlich auf einen praktischen Wert durch eine solche Anordnung herabgesetzt
werden, so daß der Magnet nicht nur bewegt, sondern auch verdreht wird in die Stellung,
wie sie durch die ausgezogenen Linien in Fig. 1 gezeigt ist, in welcher seine magnetische
Achse senkrecht zu den Hauptachsen der Spulen liegt. In dieser letzterwähnten Stellung
ist der resultierende Fluß in jedem Schenkel 10A und 10B, welcher durch den Magneten
erzeugt wird, im wesentlichen Null, und die Impedanzen der Spulen werden nahezu
gleich verbleiben.
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Eine spezielle Bauform für eine einzelne Druckknopfvorrichtung ist
in Fig. 2 gezeigt. Ein Gehäuse besteht aus einem Teil 21 und einem Deckel 22 mit
einer Staub und Feuchtigkeit ausschließenden Dichtung 23. zwischen beiden, welche
durch S chrauben, die nicht besonders dargestellt sind, zusammengehalten werden,
Ein zylinderförmiger Träger 24 ist an der Innenseite des - Deckels durch einen röhrenförmigen
Bolzen 25 und eine mit diesem zusammenwirkende Mutter 26 festgespannt, wobei eine
Dichtung 27 vorgesehen, ist. Ein Rahmen 28 a, welcher den Kern 10 und die Spulen
11 trägt, ist an dem Träger 24 durch zwei Bolzen 28 befestigt, welche in Schlitzen
29 wirksam sind, um eine relative -Verstellung zwischen dem Rahmen 28 a und dem
Träger 24 zu ermöglichen. Der Magnet 20 ist in einem Joch 30 gehalten, welches mit
dem Druckknopf 31 durch eine schraubenförmig verdrehte Stange 20 von rechteckigem
Querschnitt verbunden ist, wobei die Stange mit einer durch den röhrenförmigen Bolzen
25 getragenen Mutter 33 zusammenarbeitet. Normalerweise ist der Magnet in der Lage,
welche durch ausgezogene Linien dargestellt ist, durch eine Druckfeder 34 gehalten,
welche zwischen der Unterseite des Druckknopfes 31 und einer becherförmigen Scheibe
35, welche an der Mutter 33 anliegt, eingesetzt ist. In dieser Lage des Magneten
ist der Druckknopfschalter, -wie oben beschrieben, sozusagen in denn offenen Zustand.
Wenn der Druckknopf durch den Bedienenden heruntergedrückt wird, so wird der Magnet
in, Richtung auf den Kern 10 zu bewegt, und zur gleichen Zeit wird er durch die
Wirkung der schraubenförmig verdrehten Stange 32 und der Mutter 33 gedreht,
bis er in der in. gebrochenen Linien dargestellten Stellung sich befindet, wobei
die Vorrichtung dann sich in ihrem vollständig geschlossenen Zustand, entsprechend
derjenigen eines geschlossenen Schalters, befindet, wie es oben beschrieben worden
ist. Elektrische Zuleitungen von und zu der Vorrichtung sind durch eine Öffnung
23 in der Seitenwand des Körpers hindurchgeführt.
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Bei einer solchen Vorrichtung sind keine Kontakte mechanisch miteinander
und außer Eingriff zubringen und zu halten. Darüber hinaus ist die Vorrichtung explosionssicher
ohne Anwendung schwerer und kompakter Gehäuse, wie sie normalerweise bei Schaltern,
welche für solche Zwecke bestimmt sind, benutzt ,werden.
Es ist
augenscheinlich, daß verschiedene Methoden für die Fertigung dieser Druckknopfvorrichtung
benutzt werden können. Zum Beispiel kann erfindungsgemäß die Mutter 33 aus einem
Harz um die Stange 32 gegossen werden, so daß die beiden genau zusammenpassen. In
anderen Bauformen können das Joch 30 und die Stange 32 zusammen aus einem synthetischen
Material, wie z. B. aus Nylon, gegossen werden. In Anbetracht der Abwesenheit von
Oberflächen, welche eine Wartung erfordern, kann die ganze Einheit oder Teile derselben,
wie der Kern, die Wicklungen und der Magnet, in ein gegen Feuchtigkeit undurchlässiges
Gehäuse aus Kunstharz eingekapselt werden. In dieser Ausführung ist die Verlagerung
des Magneten und seines Joches dieselbe wie die Verlagerung des Druckknopfes. Aber
in anderen Ausführungsformen kann die Verbindung einen mechanischen Vorteil schaffen,
so daß die Druckknopfverlagerung geringer als die Verlagerung des Magneten ist.
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Das Schaltungselement 19 kann ein phasenempfindliches statisches magnetisches
logisches Element enthalten, welches fähig ist, mit einer Speisestromfrequenz von
der zweifachen Speisefrequenz der Vorrichtung zu arbeiten, und in jenem Falle ist
ein Gleichrichter 37 vorgesehen, um Signale der erforderlichen Phase zu geben, wobei
die Ausgangsspannung durch eine Kapazität 38 geglättet wird. Die Anwendung solcher
phasenempfindlichen Elemente hat den speziellen Vorteil, daß drei Druckknopfvorrichtungen
an dasselbe Paar von Drähten angeschlossen werden kann und drei unterschiedliche
Signale gibt. Zum Beispiel hat in dem System, welches in Fig. 3 veranschaulicht
ist, der Druckknopf A einen Halbwellengleichrichter 37A, welcher in einer Richtung
angeschlossen ist, während ein ähnlicher Druckknopf B einen Halbwellengleichrichter
37B besitzt, der in der entgegengesetzten Richtung angeschlossen ist. Das dritte
Signal wird erhalten mit dem Druckknopf C durch Vorsehen eines Vollwellengleichrichters
37 C. Für eine Anzahl von Druckknöpfen, welche ii unterschiedliche Signale ergeben,
ist die Zahl der erforderlichen Drähte gegeben durch den Ausdruck
In den Ausführungsbeispielen, welche insoweit beschrieben worden sind, ist ein permanenter
Magnet verwendet worden., um den zusätzlichen Fluß zu dem Kern 10 zu schaffen, aber
es kann auch ein Elektromagnet benutzt werden, und ein Beispiel der allgemeinen
Anordnung einer solchen Vorrichtung ist in den Fig. 4a und 4b veranschaulicht, wobei
die Figuren die Vorrichtung in offenem bzw. geschlossenem Zustand zeigen. Der Kern
10 und die Spulen 11 A, 11B sind dieselben wie diejenigen oder ähnlich denjenigen
der Fig.2, wobei der Elektromagnet aus einem Kern 39 und einer Spule 40 besteht.
Ein nicht magnetischer Zylinder 41, welcher durch den Bedienenden zwischen den Stellungen
bewegt werden kann, wie sie in den Fig. 4a bzw. 4b gezeigt sind, trägt die zwei
Polstütcke 42, welche, wenn sie in der in Fig. 4b gezeigten Stellung sich befinden,
den Fluß von dem Elektromagneten dem Kern 10 zuführen. Eine Stange 43 ist vorgesehen,
um zu verhüten, daß der Restmagnetismus den Kern 10 beeinflußt, während die Vorrichtung
in dem offenen Schaltungszustand ist (Fig. 4 a).
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Die Anwendung eines Elektromagneten ermöglicht, daß zwei oder mehr
Vorrichtungen wirkungsgemäß in Reihe geschaltet sind, wohingegen Vorrichtungen mit
permanenten Magneten nur in Parallelschaltung betätigt werden können. Verschiedene
Methoden für die Erreichung einer solchen Reihenbetätigung sind in den Fig. 5 bzw.
6 veranschaulicht. In der Schaltung nach Fig. 5 ist eine erste mit einem permanenten
Magneten vorgesehene Vorrichtung so angeschlossen, daß der Ausgang ihres Gleichrichters
die Elektromagnetspule 40 der zweiten Vorrichtung speist, so daß die Betätigung
der zweiten Vorrichtung nicht ein Signal von jener Vorrichtung ergeben wird, es
sei denn, daß die erste Vorrichtung betätigt worden ist.
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In der Schaltung nach Fig.6 ist eine erste Vorrichtung, an welcher
ein permanenter Magnet benutzt ist, mit einem Betätigungsstrom von den Speiseleitungen
44 und 45 vorgesehen, wobei der Ausgang ihres Gleichrichters 37 eine Steuerwicklung
46 des Magnetverstärkers 47 speist. Eine zweite Vorrichtung hat eine Elektromagnetwicklung
40, welche mit einem Betätigungsstrom von den Arbeitswicklungen 48 gespeist wird,
wenn die erste Vorrichtung sich im geschlossenen Schaltungszustand befindet. Es
kann sich zeigen, daß die Speisung der Wicklung 40 direkt vom Verstärkerausgang
Schwierigkeiten verursacht zufolge der Phasendifferenz zwischen den Strömen in den
Spulen 11 A, 11 B und 40. In jenem Fall ist erfindungsgemäß ein Gleichrichter
49, welcher in gebrochenen Linienzügen angedeutet ist, vorgesehen. In anderen Ausführungen,
welche nicht dargestellt sind, kann erfindungsgemäß der Ausgang des Verstärkers
47 die Primärwicklung 15 speisen, wobei die Elektromagnetwicklung 40 direkt von
den Speiseleitungen 44 und 45 gespeist ist. Es ist augenscheinlich, daß mit irgendeiner
der Schaltungen, welche unter Bezug auf die Fig. 5 und 6 beschrieben worden sind,
mehr als eine »zweite« Vorrichtung durch eine einzelne »erste« Vorrichtung gesteuert
werden kann und daß jede »zweite« Vorrichtung durch mehr als eine »erste« Vorrichtung
gesteuert werden kann.
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Eine Vorrichtung, welche keine bewegten Teile innerhalb des Gehäuses
besitzt, welches die Spulen einschließt, kann geschaffen werden durch Anwendung
eines permanenten Magneten oder eines Elektromagneten, welcher von dem verbleibenden
Teil der Vorrichtung an sich getrennt ist, z. B. in der Form eines Schlüssels, den
der Bedienungsmann bei sich trägt. Eine solche Vorrichtung vermeidet die Gefahr,
daß eine Verunreinigung (z. B. durch Schmutz) oder eine Korrosion des Rückführungsmechanismus
ein Drängen oder Klemmen der Vorrichtung verursachen kann. Darüber hinaus ist es
möglich, eine nicht befugte bedienungsmäßige Betätigung der Vorrichtung zu verhüten,
da nur befugte Bedienende den notwendigen Schlüssel haben werden.
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In der in Fig. 7 veranschaulichten Vorrichtung sind der Kern 10, die
Wicklung 11 A, 11 B und der Gleichrichter 37 in einem Gehäuse aus
einer einkapselnden Kunstharzmasse 51 starr gehalten, und der elektrische Anschluß
der äußeren Schaltung wird vermittels der Anschlußklemmen 52 vorgenommen. Der Magnet
20 ist in eine Handhabe 53 eingebettet und mit dem Paar von geformten Polstücken
54 versehen, welche in entsprechend geformte Aussparungen 55 in den verbleibenden
Teil der Vorrichtung passen, und die Polstücke kommen mit dem Kern 10 in Berührung,
wenn sie exakt in ihrer Lage sind, so daß sie eine gute Übertragung des magnetischen
Flusses zum Kern sichern.
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Eine andere Bauform ist in Fig.8 gezeigt, und Teilen, welche ähnlich
denjenigen in Fig. 7 sind, ist dasselbe Bezugszeichen gegeben worden. In dieser
Bauform ist eine einzige Aussparung 55 erforderlich für den Magneten 20,
und die Polstücke 54 sind an
dem Kern 10 vorgesehen.
Der Magnet und seine Aussparung 55 können von einem unregelmäßig geformten Querschnitt
sein, der beabsichtigt gewählt ist, um soweit als möglich die Einführung von »unbefugten«
Magneten in dieselbe zu beschränken.
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Eine Anzahl von Vorrichtungen kann zusammen in einem einzigen Gehäuse
50 angeordnet werden, wie es durch Fig. 9 veranschaulicht wird, um auf diese Weise
eine Druckknopfstation, z. B. für ein Hebezeug oder eine Winde, zu schaffen. Wenn
es erforderlich ist, daß die Vorrichtungen in einem verhältnismäßig beschränkten
Raum untergebracht werden sollen, oder wenn die äußeren Schaltungen von vergleichsweise
hoher Empfindlichkeit sind, dann kann es bevorzugt werden, die Vorrichtungen, wie
es in Fig. 10 veranschaulicht ist, anzuordnen, wobei die Kerne von aufeinanderfolgenden
Vorrichtungen erfindungsgemäß um einen rechten Winkel verdreht sind, um auf diese
Weise die Wirkung des permanenten Magneten auf jeden der Kerne herabzusetzen, wenn
er eingesetzt wird, so daß er schon eine der unmittelbar angrenzenden Vorrichtungen
betätigt. Wenn eine zusätzliche Abschirmung erforderlich ist, dann können erfindungsgemäß
Schirme zwischen je zwei benachbarten Vorrichtungen vorgesehen werden, wie sie in
der Fig. 10 durch gebrochene Linienzüge angedeutet sind.
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Obgleich die Vorrichtungen gemäß der Erfindung, wie sie beschrieben
worden sind, die Form eines Druckknopfes oder eines Äquivalentes haben, welches
einen getrennten Magnetkern benutzt, .so sind auch andere Formen der Vorrichtung
möglich. Zum Beispiel kann der Druckknopf durch eine rotierende Betätigungseinrichtung
ersetzt werden, welche die notwendige kombinierte Verstellung und rotierende Bewegung
erzeugt. Wiederum können eine Anzahl von Kernen und zugeordneten Wicklungen in ein
gemeinsames Gehäuse eingebaut werden, so daß eines auf einmal mit einem einzelnen
Magnetglied zusammenarbeitet und auf diese Weise einen Wählerschalter bildet. Die
gleichzeitige Betätigung von zwei oder mehr Vorrichtungen kann auch durch eine solche
Anordnung erreicht werden, daß die zugeordneten Magnete gleichzeitig durch einen
gemeinsamen. Betätigungsmechanismus verstellt werden. Der Betätigungsmechanismus
kann ein solcher der Type sein, welche eine Fernbetätigung und/oder eine Schnappwirkungshilfseinrichtung
vorsieht. Der Kern und die Magnete können durch zwei Glieder getragen werden, die
relativ zueinander bewegbar (z. B. in einer Winde oder einem Hebewerk) und so angeordnet
sind, daß die Vorrichtung als ein Annäherungsschalter wirkt. Durch eine vorbestimmte
Anordnung zweier Kernglieder Seite an Seite und derart, daß in einer Zwischenstellung
des Magneten beide Vorrichtungen in dem geschlossenen Schaltzustand sind, kann die
Hilfseinrichtung so vorgesehen werden, daß eine Vorrichtung in den Zustand der geschlossenen
Schaltstellung gebracht wird, bevor die andere Vorrichtung in den offenen Schaltzustand
gebracht wird (Herstellen vor Unterbrechen). In einigen Ausführungsbeispielen kann
der Magnet in seiner Stellung fixiert und die Spuleneinheit beweglich sein, aber
im allgemeinen wird das nicht so tunlich sein wie die Ausführungsbeispiele, welche
einen beweglichen Magneten benutzen.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsbeispiele
offenbart worden, und es können verschiedene Abwandlungen und Veränderungen an dem
beschriebenen Apparat innerhalb des Grundgedankens der Erfindung, wie sie in den
Patentansprüchen näher bestimmt ist, vorgenommen werden.