DE1150142B - Elektrische Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltvorrichtung mit einer oder mehreren durch Wände aus nichtleitendem Material gebildeten, magnetisierbare Kugeln enthaltenden Kammern, bei der die Wände Elemente aus elektrisch leitendem Material enthalten, so daß durch die ebenfalls elektrisch leitenden Kugeln Verbindungen zwischen den leitenden Elementen zweier gegenüberliegender Wände gebildet werden können, bei der ferner Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes in den Kammern vorgesehen sind. Derartige Schaltvorrichiungen sind bekannt, z. B. eine Schaltvorrichtung, die nach Art eines Sicherheitsschalters für einen Elektromotor arbeitet. In einer oben und unten an der Innenwand mit je einem elektrischen Kontakt versehenen Kammer ist eine Vielzahl kleiner, ferromagnetischer Partikeln enthalten. Gegen die den elektrischen Kontakten gegenüberliegenden Abschnitte der Außenwand der Kammer legen sich die Pole eines Spulenmagnetkernes an. Sobald in der dazugehörigen Spule ein genügend hoher Strom fließt, der ein durch die beiden elektrischen Kontakte und damit durch die Kammer verlaufendes magnetisches Feld erzeugt, werden die Partikeln entgegen der Schwerkraft gegen den oberen Kontakt gezogen und bilden dadurch eine elektrisch leitende Brücke zwischen den Kontakten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltvorrichtung zur Steuerung von Strömen beliebiger Stärke durch Steuerströme geringer Stärke bei kürzester zeitlicher Verzögerung zu schaffen, die einen sicheren Kontaktdruck aufweist und an nahezu unbegrenzt viele verschiedene Einzelerfordernisse angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die genannten leitenden Elemente aus einem magnetisierbaren Material bestehen und gleichzeitig Pole des erregenden Magneten für die magnetisierbaren Kugeln bilden.

Die in den einzelnen Kammern zur Überbrückung der elektrischen Kontakte enthaltenen Partikeln bestehen aus durch ein besonderes Verfahren hergestellten magnetisierbaren Kugeln. Diese Kugeln bilden bei Einwirkung des Magnetfeldes stromleitende Ketten und kommen dabei durch die erfindungsgemäße Ausführung der leitenden Elemente unmittelbar mit den Polen des erregenden Magneten in Berührung, so daß dadurch ein fester zuverlässiger Kontaktdruck gewährleistet ist. Aus der im folgenden angegebenen Vielzahl verschiedener Möglichkeiten zur weiteren Ausbildung einer derartigen Schaltvorrichtung ist ersichtlich, daß nahezu alle auftretenden Spezialerfordernisse für Schaltvorrichtun-Elektrische Schaltvorrichtung

Anmelder:

Tann Corporation,

Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. März und 11. März 1957
(Nr. 644 228, Nr. 644 360, Nr. 644 393 und Nr. 645 260)

Stanford R. Ovshinsky, Detroit, Mich. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

gen zur Steuerung von Strömen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllbar sind, wobei die Dauer des Schaltvorganges in äußerst günstiger Weise abgekürzt werden kann.

Die Anzahl der leitenden Kugelketten in den Kammern wird durch den Erregerstrom gesteuert.

Der Auf- und Abbau der Kugelketten erfolgt durch den Magnetfluß eines Dauermagneten oder mit Hilfe einer oder mehrerer der einen oder mehreren die leitenden Elemente enthaltenden Wände zugeordneten Spulen, die bei ihrer Erregung einen Magnetfluß in der einen oder entgegengesetzten Richtung erzeugen, so daß einander anziehende oder abstoßende Flüsse oder auch in den Kammern zwischen den Wänden ein Magnetfluß Null erzeugt wird.

Es ist erwünscht, für die leitenden Elemente der Wände und für die Kugeln einen Werkstoff zu verwenden, aus dem die inneren Spannungen durch Spannungsfreiglühen beseitigt sind, so daß der Werkstoff mit geringsten Mengen zugeführter Energie magnetisch gesättigt und nach Entfernen der zugeführten Energie in kürzester Zeit entmagnetisiert werden kann. Die Elemente und Kugeln haben im wesentlichen keine Remanenz, so daß bei einer Änderung der zugeführten Energie, welche die Kraft, welche die Kugeln zu leitenden Ketten verbindet, beseitigt, die Kugeln augenblicklich voneinander getrennt werden und durch die Schwerkraft auf den Boden der Kammer fallen. Wenn der Magnetfluß

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des Magneten ab, wenn der Spalt zwischen ihnen vermindert wird. Die Wandanordnung kann auch verwendet werden, um einen Wechselstrom mit Hilfe einer Spule gleichzurichten, welche an einer der 5 Wände vorgesehen ist, indem man die Wandanordnung und die Spule in einem Wechselstromkreis so anbringt, daß die gebildeten Ketten den Strom nur während der Erregung der einen Halbwelle hindurchleiten.

Weitere Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, welche dem besseren Verständnis der Anordnungen nach den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche dienen. In den Zeichumgekehrt wird oder die Kugeln gleichartige Ladungen haben, kommt zur Schwerkraft noch eine Abstoßungskraft hinzu, welche für eine schnelle Zerlegung der Ketten sorgt. Die Kugeln können mit
leitendem Werkstoff überzogen sein, so daß sie leicht
ohne verzehrenden Widerstand und ohne Erwärmung
Strom leiten können, wobei die Größe des durch die
Vorrichtung geleiteten Stromes sich steuern läßt
durch den der Spule zugeführten Strom. In einigen
Fällen erzeugt allein die Umkehrung des Stromflusses io
in der Spule einen Aufbau und ein Abbau der Ketten
und damit ein Schließen und Unterbrechen der zugeordneten Stromkreise. In anderen Fällen hat die Vergrößerung oder Verminderung des Magnetflusses in
der Kammer zwischen den Wänden eine Herstellung 15 nungen zeigt oder eine Unterbrechung der leitenden· Ketten zur Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer

Folge. In einem einzigen System kann eine Mehr- Wandanordnung mit den zugeordneten Stromkreisen zahl von Wandanordnungen vereinigt werden, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung, jede Kammer unter dem Einfluß einer einzigen Spule Fig. 2 eine Teilansicht der Anordnung gemäß

je einen Stromkreis steuert und der Schaltungs- 20 Fig. 1 bei unterbrochenem Stromkreis, zustand in dem Stromkreis jedesmal umgekehrt wird, Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch zwei mit

wenn man den Stromfluß in der Spule ändert, modifi- Abstand angeordnete Wände gemäß einer anderen ziert und/oder umkehrt, d. h., die Stromkreise wer- Ausführungsform der Erfindung, den geschlossen oder geöffnet durch das Öffnen Fig. 4 einen senkrechten Schnitt gemäß einer

oder Schließen von Stromkreisen, in denen der 25 weiteren Ausführungsform der Erfindung. Stromfluß der Spule geändert wird. Es versteht sich, Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 enthält eine

daß getrennte Spulen verwendet werden können, Mehrzahl von Wänden, und zwar drei Wände 10, 11 welche sich gleichzeitig unter Strom setzen oder ab- und 12, welche aus gleichem unmagnetischem Werkschalten lassen, wenn alle Stromkreise verändert stoff bestehen und eine Mehrzahl von länglichen, mawerden sollen, oder welche einzeln erregt werden 30 gnetisierbaren Elementen 13 enthalten, welche einen können, wenn die zu steuernden Stromkreise ge- kreisförmigen, quadratischen, rechteckförmigen oder trennt geschaltet werden sollen. sonstigen Querschnitt aufweisen können und durch

Jede der Wände kann mit einer oder einer magnetisch isolierende Werkstoffe 14 voneinander Mehrzahl von Spulen versehen sein, so daß sich die getrennt sind. An den äußeren Enden der Wände 10 Stromkreise durch Schließen unterbrechen oder 35 und 12 befinden sieht stromleitende Platten 15, durch Umkehren des Stromflusses in einer oder meh- welche leitend mit der Mehrzahl der Elemente 13 reren Spulen individuell steuern lassen. Jede Wand verbunden sind. Die drei Wände 10, 11 und 12 sind kann aus mit Abstand zueinander angeordneten Ab- mit geeigneten Mitteln zu einem Bauelement zuschnitten des gleichen oder ähnlichen Werkstoffes sammengesetzt und voneinander durch Isolierbestehen. Die leitenden Elemente können Dauer- 40 stücke 16 getrennt, welche Kammern 17 bilden, die magnete sein oder aus einem magnetisierbaren Werk- die gleiche Querschnittsfläche haben wie die Wände, stoff oder sonstigem leitendem Werkstoff, der sich
durch die Erregung einer zugeordneten Spule magnetisch beeinflussen läßt, bestehen. Die Elemente sind
durch Isolierstoffe voneinander getrennt und in der 45
Kammer ausgerichtet, um gebündelte oder ausgerichtete Magnetflußpfade zu schaffen, welche je nach der
Überlagerung eines Magnetfeldes in gleicher oder
entgegengesetzter Richtung die Kugeln abstoßen oder
anziehen. Die Beziehung der Wände zueinander, die 50 Kombination dieser oder anderer Werkstoffe, die es Auswahl der Werkstoffe für die Elemente, der ermöglicht, mit kleiner Durchflutung und geringer Durchmesser der Präzisionskugeln und die mit den Remanenz eine Sättigung zu erreichen, so daß bei Kugeln und den Bauelementen vorgenommenen einer Erregung die leitenden Kugelketten augen-Wärmebehandlungen sind so ausgewählt, daß die blicklich aufgebaut und beim Abschalten augenblickelektrische Schaltvorrichtung möglichst wirksam und 55 lieh unterbrochen werden können. Es konnte beigenau arbeitet. Der Erregerstrom kann von einer be- spielsweise festgestellt werden, daß Stromkreise mit

Die Wände können einen kreisförmigen, quadratischen, rechteckigen oder sonstigen Querschnitt haben.

Innerhalb der Kammern 17 befindet sich eine Mehrzahl von Kugeln 18. Die Kugeln und die leitenden Elemente 13 bestehen aus einem besonderen magnetischen Werkstoff, wie beispielsweise Nickel— Eisen im Verhältnis 50:50 oder einer sonstigen

liebigen, verfügbaren Wechselstromquelle oder auch von einer Gleichstromquelle abgenommen werden. Die letztere kann eine gleichgerichtete Wechselstromquelle oder ein Gleichstromsignalgeber sein.

Das Magnetfeld wird mit Hilfe eines permanenten Magneten erzeugt oder auch durch eine erregbare Spule, welche während der relativen Annäherung von Wand und Magnet einen Stromfluß durch

der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Kugeln und Wänden aus geeigneten Werkstoffen in bisher nicht für möglich gehaltenen Zeitintervallen geschlossen 60 und unterbrochen werden können.

Die Wände können aus magnetischem oder magnetisierbarem Werkstoff hergestellt werden und durch den nichtmagnetisierbaren Werkstoff des Wandkörpers voneinander getrennt sein. Eine solche

die Kammer zwischen den Wänden über die gebil- 65 Wand läßt sich beispielsweise aus Keramik oder

deten Ketten ermöglicht. Der bis zu einem vollen nichtmagnetischem korrosionsfestem Stahl herstellen,

Stromfluß erforderliche Stromdurchgang hängt von welcher die Glühtemperaturen aushält. Solche Werk-

der letztlich vorhandenen Stellung der Wände und stoffe ermöglichen eine hochwertige Präzisionssteue-

rung, wohingegen die mechanische Einwirkung beim Einsetzen der leitenden Elemente in die Öffnungen des Wandkörpers nach dem Spannungsfreiglühen die magnetischen Eigenschaften des Elementenwerkstoffes verändern würde. Ein nichtmagnetischer Werkstoff, welcher der Glühtemperatur widersteht, ist mit Öffnungen versehen, in welche die Elemente vor dem Spannungsfreiglühen eingesetzt werden. Vorzugsweise hat der ausgewählte Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen dem Werkstoff der leitenden Elemente gleich ist, so daß zwischen den Werkstoffen bei Temperaturänderungen keine Spannungen entstehen. Die leitenden Platten 15 können, wie dargestellt, zur Verbindung der Elemente verwendet werden, auf den Wandkörper kann Silber oder ein sonstiger leitender Werkstoff aufgebracht werden, um die Elemente mit einem Leiter zu verbinden. Als Wandkörper ist beispielsweise nichtmagnetischer korrosionsbeständiger Stahl verwendet worden, wobei die Elemente 13 vor der Wärmebehandlung in Ausnehmungen des Wandkörpers eingepreßt wurden. Als Werkstoff für den Wandkörper kann auch eine keramische Masse, Harz oder ähnliche Werkstoffe verwendet werden, welche die Elemente magnetisch und elektrisch voneinander isolieren.

Auf jede der Wände 10, 11 und 12 ist zur Steuerung der Magnetisierung der Elemente 13 eine Spule 19 aufgesetzt. Der zu steuernde Strom fließt über die Zuleitungen 21, welche an die Endplatten 15 angeschlossen sind. Die Leitung 22 verbindet die Spulen 19 der Wände 10 und 12 mit dem Schalter 23 und einer Schwachstromquelle 24. Im Falle einer Gleichstromquelle kann, wie hier dargestellt, eine Batterie verwendet werden. Die Leitungen 25, 26 α verbinden die Spule 19 der Wand 11 über einen eh> poligen Schalter 26 a, der aber auch, wie Fig. 2 zeigt, zweipolig an eine Batterie angeschlossen werden kann, um den Stromfluß in der Spule umzukehren. Schalter und Stromkreis sind an eine schwache Energiequelle angeschlossen, die hier als Batterie 27 dargestellt ist.

Die Schaltungen dienen nur als Beispiel und können auch durch andere Schaltanordnungen ersetzt werden, bei denen gesonderte Stromkreise für jede einzelne der Spulen zum Anschluß an gleiche oder verschiedene Energiequellen vorgesehen sein können. Als Energiequelle kommt beispielsweise eine Spannungsquelle von 115VoIt Wechselspannung in Frage. Wird Wechselstrom zur Erregung der Spule 19 verwendet, kann an der Spule ein Schirmpol oder eine sonstige Anordnung vorgesehen werden, um eine induktive Verzögerung für den Magnetfluß zu schaffen, wenn die Stromquelle ihren Nulldurchgang hat. So ist ständig ein Magnetfluß vorhanden, welcher die Ketten zusammenhält und eine Stromdurchleitung ermöglicht, sofern man einen magnetischen Nebenschlußring verwendet. Bei dieser Anordnung kann der Erregerstrom von einer 115-Volt-Wechselspannungsquelle entnommen werden.

Die Vorrichtung kann weiter abgewandelt werden, indem man bei einer oder mehreren der Wände die Elemente 13 aus dauermagnetischem Werkstoff herstellt und in verschiedener Größe ausbildet, um die Fokussierung der benachbarten Stirnflächen untereinander zu steuern. Eine weitere Ausrichtung der Kraftlinien kann dadurch erreicht werden, daß man eine der Wände gegenüber der anderen verdreht, um die Kettenpfade zu verändern. Ferner können auch die leitenden Elemente der einen Wand in einer anderen Weise verteilt sein als die in einer anderen Wand, so daß bei einer Relatiwerdrehung der Wände die Anzahl der Fokussierungspfade geändert werden kann. Es können auch in ähnlicher Weise die permanenten und nichtpermanenten magnetischen Elemente 13 innerhalb eine speziellen Wand untereinander vertauscht sein.

ίο Die Kammern 17 der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung können in der Höhe vermindert oder auch mit mehr Kugeln versehen werden, so daß die Kammern im wesentlichen von den Kugeln ausgefüllt sind. Hieraus resultiert, daß die Kugeln nur einen sehr kleinen Weg zurücklegen müssen, um die die Kammern durchquerenden Ketten zu vervollständigen. Es ist erwünscht, in den Spulen 19 der Wände 10 und 12 einen bestimmten Strom fließen zu lassen, um den Kugeln eine Vorspannung zu erteilen, durch die sie beinahe aber noch nicht ganz zur Kettenbildung in der Kammer angeregt werden. Durch Vermehren oder Vermindern des von der Spule 19 der Wand 11 erzeugten magnetischen Flusses wird dafür gesorgt, daß gleichzeitig mit dem Stromfluß in der Spule 19 der Wand 11 eine Kettenbildung eintritt. Bei dieser Anordnung kommt es somit auf das Zusammenspiel der magnetischen Flüsse der einzelnen Spulen an. Mit anderen Worten heißt dies, daß die in Fig. 1 und 2 dargestellten Spulen 19 der Wände 10, 11 und 12 jede für sich aus einer gesonderten Quelle gleicher oder verschiedener Spannung und mit verschiedenem Strom erregt werden können, wobei die Spulen zur Steuerung der Ketten gleichsinnig oder gegensinnig gewickelt sein können. Die Ketten können nur zu einem Zeitpunkt entstehen, zu dem eine geeignete Erregung sämtlicher drei Spulen erfolgt, um die passende Polarität an beiden Kammern zu erzeugen. Bei dieser Anordnung sind also drei ganz bestimmte Voraussetzungen bezüglich des Stromes zu erfüllen, um den zu schaltenden Stromkreis zu vervollständigen. Die leitenden Elemente 13 können anstatt aus magnetisierbarem Werkstoff auch aus Dauermagneten bestehen.

Eine Umkehrung des Erregerstromes durch die Spule 19 der Wand 11 erzeugt zwischen den magnetisierbaren leitenden Elementen 13 der drei Wände einander abstoßende Polaritäten. Durch diese Polaritäten werden die Ketten unterbrochen und die Kugeln 18, wie in der Zeichnung dargestellt, voneinander getrennt. Das obere Ende der Wand 11 in Fig. 3 ist an dem Ende, welches den Boden der Kammer bildet, konisch ausgebildet, um die Flußdichte zu verändern und dafür zu sorgen, daß sie die Kugeln bei fehlendem Magnetfeld an der unteren Außenfläche sammeln. Es versteht sich, daß auch das obere Ende der Wand 11 in anderer Weise ausgestaltet werden kann, um die Fokussierung zu beeinflussen und die Bildung der Magnetflußpfade zu steuern. Am Beden der Kammer 17 kann auch ein Quecksilberbad 30 vorgesehen werden, um die Kugeln zu überziehen und zwischen ihnen bei der Kettenbildung leitende Pfade zu bilden.

Bei der Vorrichtung nach der Fig. 4 besteht die Wand aus einem Block oder mehreren Schichten 77 eines magnetischen keramischen Werkstoffes, welche oberhalb des Abschnittes 78 einer Wand angeordnet sind, welche normalerweise die Kugelketten 67 in der Kammer 62 des Körpers 61 bildet. Ein zwei-

teiliges Gehäuse 79 aus leitendem Werkstoff umgibt den Körper 61 und bildet einen· magnetischen Rückschluß von geringem Widerstand für den von den Schichtelementen 77 und der Spule 69 erzeugten Magnetfluß. Wenn man die Spule 69 aus einer Stromquelle, beispielsweise einer Batterie 71, mit einem durch das Potentiometer 73 eingeregelten Strom versorgt, entsteht ein entgegengesetzter Magnetfluß, welcher dem von dem schichtförmigen Element 77 erzeugten Magnetfluß entgegenwirkt und hierdurch dafür sorgt, daß die Ketten 67 entweder gleichzeitig oder nacheinander unterbrochen werden, so daß auch der gesteuerte Stromkreis unterbrochen oder der durch ihn fließende Strom vermindert wird.

Die Kugeln werden ohne Überzug verwendet, wenn mit ihrem Widerstand die Größe des durchgeleiteten Stromes gesteuert werden soll. Wenn große Ströme durchzuleiten sind, können die Kugeln mit leitendem Werkstoff, wie Silber od. dgl., überzogen werden, wodurch der sich dem durchfließenden Strom bietende Widerstand der Kugelketten wesentlich vermindert wird. In der Kammer kann ein Quecksilberbad vorgesehen werden, welches unter bestimmten Bedingungen die Leitfähigkeit der Kugeln vergrößert und die Möglichkeit einer Lichtbogenbildung bei der Unterbrechung der Ketten ausschaltet.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrische Schaltvorrichtung mit einer oder mehreren durch Wände aus nichtleitendem Material gebildeten, magnetisierbare Kugeln enthaltenden Kammern, bei der die Wände Elemente aus elektrisch leitendem Material enthalten, so daß durch die ebenfalls elektrisch leitenden Kugeln Verbindungen zwischen den leitenden Elementen zweier gegenüberliegender Wände gebildet werden können, bei der ferner Mittel zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetfeldes in den Kammern vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten leitenden Elemente (13) in den Wänden aus einem magnetisierbaren Material bestehen und gleichzeitig Pole des erregenden Magneten für die magnetisierbaren Kugeln (18) bilden.

2. Elektrische Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Elemente (13) Dauermagneten sind.

3. Elektrische Schaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Elemente in gegenüberliegenden Wänden so angeordnet sind, daß durch eine Relativbewegung der beiden Wände gegeneinander die Anzahl der erzeugbaren Kugelketten verändert wird.

4. Elektrische Schaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Boden einer Kammer begrenzende Stirnfläche einer Wand konisch ausgebildet ist, um die Flußdichte in der Kammer zu verändern und die Kugeln bei unterbrochenen Ketten am Rand der Kammer zu sammeln.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (10 und 12) eine Vormagnetisierung erhalten, die so groß ist, daß eine Kettenbildung durch die Kugeln (18) gerade noch nicht eintritt, und daß die Kettenbildung und die Zerstörung der Ketten zum Ein- und Ausschalten durch das Ummagnetisieren der Erregung einer dritten Wand (11) erfolgt.

6. Elektrische Schaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern und die sie begrenzenden Wände von einem leitenden Gehäuse umgeben sind, das einen magnetischen Rückschluß und eine Abschirmung gegen magnetische Streuflüsse bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 668 S84.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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