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Wegeabhängiger Befehlsgeber Die Erfindung bezieht sich auf einen wegeabhängigen
Befehlsgeber, der eine Steuerspannung dadurch abgibt, daß die Änderung der Lage
des Joches eines Transformators infolge der Einwirkung der steuernden Kraft einen
vollständig schließenden Eisenkreis herstellt.
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Die Erfindung hat hauptsächlich den Zweck, ein Schaltelement zu schaffen,
das als Endschalter für elektrische Maschinensteuerungen in Maschinen eingebaut
bzw. angebaut werden kann. Die im allgemeinen für diesen Zweck verwendeten Schalter
mit festen und beweglichen Kontakten haben keine ausreichende Schaltsicherheit,
da die Kontakte durch Feuchtigkeitsnebel, COlnebel, Erschütterungen, Wettereinflüsse
und Temperaturschwankungen stark be@ einflußt werden. Man ist deshalb dazu übergegangen,
Induktionsschalteinrichtungen zu verwenden, um die Kontakte auszuschließen.
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Transformatoren mit beweglichen Jochen sind für alle möglichen Zwecke
verwendet worden. Zum Beispiel ist eine magnetische Brücke bekanntgeworden und eine
Anordnung zur Kompensation der Rückwirkung eines induktiv arbeitenden Indikators
mit einem Dreischenkeleisen. Hierbei war die Aufgabe gestellt, die Reaktionsmomente
von Meßwertübertragern auf einen elektromagnetischen Geber zu kompensieren. Das
heißt, es sollte verhindert werden, daß Drehmoment erzeugende magnetische Kraftlinien
auf den bewegten Anker übertreten bzw. einwirken.
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Demgegenüber wird aber bei einem Endschalter, der aus einem Schaltergehäuse
besteht, in das ein Transformator mit einem beweglichen Joch, das auf die Schenkel
des Transformatorenkerns aufgesetzt bzw. abgehoben wird, das Gegenteil erreicht,
nämlich daß die Kraftlinien auf den Anker übertreten, um Kräfte zu erzeugen, die
möglichst unsymmetrisch wirken und nicht symmetrisch, wie bei den bekannten Vorrichtungen,
um dadurch das Drehmoment zu kompensieren.
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Es ist auch ein Meßregler bekanntgeworden, bei dem das Joch sich an
einem beweglichen Teil befindet, der sich an den Schenkeln des Transformators vorbeibewegt.
Diese Einrichtungen können auch nicht für einen Schalter verwendet werden, da hierbei
keine genau festgelegten Stellungen für das Joch vorhanden sind, in denen die Schaltungen
festgehalten werden. Dieses ist aber für Endschalter unbedingt erforderlich.
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Gemäß der Erfindung ist der Transformator als Zweischenkel-Transformator
mit einem dritten, nicht bewickelten Nebenschluß-Schenkel versehen, und das durch
den Steuerbefehl bewegte Joch schließt in der einen Stellung den Rückschlußeisenweg,
in der anderen Stellung den Transformatoreisenweg.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß in beiden
Endstellungen des Joches dauernd ein geschlossener Pfad für den magnetischen Fluß
vorhanden ist. Der Magnetisierungsstrom der Primärwicklung wird dadurch ohne besondere
zusätzliche Maßnahmen niedrig gehalten. Die Abmessungen der Wicklungen können daher
klein sein, und die Gefahr einer unzulässigen Erwärmung ist ausgeschaltet. Der Luftspalt
an der Seite des Schenkels, mit dem gerade keine Verbindung besteht, braucht ebenfalls
nur klein zu sein. Dadurch sind nur jeweils kleine Bewegungen des Joches bei einer
Schaltung notwendig.
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Bei dem Transformator, wie er für die Erfindung angeordnet ist, soll
einer der Schenkel die Primärwicklung und mindestens ein Schenkel die Sekundärwicklung
tragen. Dabei ist der dritte Schenkel ein urbewickelter Rückschlußschenkel. In der
Ausschaltstellung des Schalters ist der Pfad für den magnetischen Fluß über das
bewegliche Joch und den Rückschlußschenkel geschlossen.
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Der Transformatorkern kann auch so ausgebildet sein, daß der mittlere
Schenkel die Primärwicklung und die beiden anderen Schenkel je eine Sekundärwicklung
tragen. Hierbei wird das bewegliche Joch der die Primärwicklung tragenden Schenkel
mit einem der beiden die Sekundärwicklung tragenden Schenkel verbunden. In beiden
Endstellungen des Schalters kann dadurch je ein Schaltrelais mit jeweils möglichst
gleichem Widerstand geschaltet werden (Umschaltung). Der Drehpunkt des beweglichen
Joches soll gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung über dem Schenkel
liegen, der die Primärwicklung trägt und das Joch als zweiarmiger
Hebel
ausgebildet sein, der jeweils mit einem Ende auf einem der anderen Schenkel aufliegt,
während das andere-Ende von dem zugehörigen Schenkel abgehoben ist.
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Durch diese Ausbildung wird eine besonders günstige Betätigung des
Schaltelementes erreicht. Das Joch braucht beim Abheben von einem Schenkel jeweils
nur bis etwa in seine neutrale Stellung bewegt zu werden, dann werden die magnetischen
Zugkräfte des anderen Schenkels so stark, daß das Joch schlagartig auf diesen Schenkel
aufsetzt. Hierdurch wird ein unbedingt sicheres Schalten möglich, wodurch ein sehr
genaues und zuverlässiges Arbeiten der Anordnung gewährleistet ist, weil jeweils
im Sekundärteil der Spannungsanstieg schlagartig ohne jede schleichende Spannungserhöhung
erfolgt.
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Diese magnetische Sprungschaltung kann noch durch eine der bekannten
mechanischen Sprungschaltungen unterstützt werden. Durch diese Anordnung wird der
Einfluß von primärseitigen Spannungsschwankungen auf die Schaltvorgänge ausgeschaltet,
da die Gleichgewichtslage des Joches praktisch unabhängig von der Größe der Primärspannung
ist und die Schaltbewegung zwangläufig erfolgt, sobald das Joch ein wenig nach der
einen oder der anderen Seite aus der Gleichgewichtslage herausbewegt wird.
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Die Betätigung des erfindungsgemäßen Schaltelementes kann von Hand
oder mechanisch durch Anschläge an sich bewegenden Teilen der zu steuernden Maschine
erfolgen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den Zeichnungen zu entnehmen,
in denen einige Ausführungsbeispiele der in den Ansprüchen gekennzeichneten Anordnung
dargestellt sind. Es zeigt A b b. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Schaltelementes, bei dem außer dem Schenkel mit der Primärwicklung ein Schenkel
mit einer Sekundärwicklung und ein unbewickelter Streuschenkel vorhanden ist, A
b b. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schaltelementes, bei
dem ein Schenkel die Primärwicklung, die beiden anderen Schenkel je eine Sekundärwicklung
tragen, A b b. 3 die Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgebildetes Schaltelement
entsprechend A b b. 1, A b b. 3 a die Seitenansicht der A b b. 3, A b b. 4 ein erfindungsgemäßes
Schaltelement entsprechend A b b. 1, eingebaut in ein an sich bekanntes Endschaltergehäuse
(Draufsicht mit abgenommenem Gehäusedeckel), A b b. 4 a einen Schnitt durch die
in A b b. 4 dargestellt Anordnung.
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In A b b. 1 ist über dem dreischenkligen Transformatorkern 1 das bewegliche
Joch 2 angeordnet. Der Drehpunkt 3 des Joches 2 liegt über dem mittleren Schenkel
4 des Transformatorkerns 1, der die vom Netz gespeiste Primärwicklung 5 trägt. Von
den Schenkeln zu beiden Seiten des Schenkels 4 trägt der Schenkel 6 die Sekundärwicklung
7, an die unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters 8 ein Gleichstromrelais 9
angeschlossen ist.
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Der dritte Schenkel 10 des Transformatorkerns ist ein unbewickelter
Rückschlußschenkel. In der gezeichneten Lage des Joches 2 wird über diesen Schenkel
und das bewegliche Joch 2 ein Pfad für den durch die Primärspannung erzwungenen
magnetischen Fluß hergestellt, der Scheinwiderstand der Wicklung 5 also in beiden
möglichen Lagen des Joches etwa gleich gehalten werden kann.
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Die Einzelteile der in A b b. 2 dargestellten Anordnung entsprechen
denen der A b b. 1. Der Schenkel 10 trägt hier jedoch eine zweite Sekundärwicklung
11, durch die ein weiteres Relais betätigt werden kann. Bei diesem Schaltelement
wird also je nach Stellung des beweglichen Joches in der Wicklung 7 oder in der
Wicklung 11 ein Sekundärstrom induziert.
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Schaltelemente gemäß A b b. 2 sind mit Vorteil bei Stufen- oder Überlappungsschaltungen
zu verwenden.
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Gemäß den A b b. 3 und 3 a ist der Tran sformatorkern 1 aus
gewöhnlichem Dynamoblech hergestellt. Der Schenkel 10 ist der unbewickelte Rückschlußschenkel.
Auf den mittleren Schenkel 4 ist die Primärspule 5' aufgeschoben. Über die Klemmen
12 und 13 wird die Primärspule 5' ans Netz angeschlossen. Auf dem
Schenkel 6 ist die Sekundärspule 7' aufgeschoben mit den Klemmen 14 und 15 für den
Anschluß eines Relais. Das bewegliche Joch 2 ist ebenfalls aus Dynamoblechen hergestellt
und auf dem Mittelschenkel 4 kippbar gelagert.
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Bei geringer Überschreitung der neutralen Stellung des Joches nach
einer der beiden Richtungen auf den Schenkel zu setzt der eine Hebelarm des Joches
durch die Wirkung der magnetischen Kraft schlagartig auf diesen Schenkel auf. Diese
neutrale Stellung ist die Stellung gleicher Drehmomente nach rechts und links. Sie
muß nicht unbedingt die geometrische Mittelstellung des Joches sein, da bei der
Anordnung z. B. von einem bewickelten Schenkel der Eisenkörper mit Bezug auf die
mittlere Spule nicht unbedingt symmetrisch ist. Das Joch bewirkt also ein vollständiges
Schließen, und zwar ein sehr plötzliches schlagartiges Schließen des magnetischen
Kreises in zwei voneinander verschieden festgelegten Stellungen ohne merkbaren Luftspalt.
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Zum Bewegen des Joches 2 ist gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung eine schwenkbar gelagerte zweiarmige Gabel 16 angeordnet. Um
die Schaltung durchzuführen, wird die Gabel um ihren Drehpunkt 17 verschwenkt. Dabei
berührt der Arm 18 der Gabel 16 das äußerste Ende des Joches 2 und hebt dieses vom
Streuschenkel 10 ab, zunächst bis in eine mittlere Gleichgewichtslage, in
der die magnetischen Kräfte, die von den Schenkeln 6 und 10 auf die beiden Enden
des Joches 2 wirken, gleich groß sind. Sobald das Joch 2 auf der Seite des Rückschlußschenkels
10 nur wenig über diesen Punkt hinaus angehoben wird, wird das andere Ende des Joches
2 von dem die Sekundärspule 7' tragenden Schenkel 6 angezogen und das Joch 2 kippt
schlagartig, so daß nunmehr für den magnetischen Fluß der Pfad durch den Schenkel
6 hergestellt ist und in der Sekundärspule 7' ein Strom und eine in ihrer Höhe dem
Übersetzungsverhältnis des Induktionssystems entsprechende Spannung induziert wird.
Die Gabel 16 ist gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß diese Kippbewegung
des Joches 2 mit dem geringstmöglichen Kraftaufwand eingeleitet wird, indem das
Joch von den Armen 18 und 19 der Gabel 16 jeweils nur bis etwa in die Mittellage
bewegt wird. Dadurch, daß die Arme 18 und 19 der Gabel 16 weiter auseinandergespreizt
sind, als es der Breite des eingreifenden Endes des Joches 2 entspricht, bleibt
während der eine der Arme 18 und 19 bei
einer Schaltbewegung am
Joch 2 angreift, zwischen dem anderen Arm und dem Joch 2 ein Abstand, der so groß
ist, daß das Joch 2 bei der plötzlichen Kippbewegung nach überschreiten der Mittellage
nicht behindert ist.
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In den A b b. 4 und 4 a ist das erfindungsgemäße Schaltelement in
ein an sich bekanntes Endschaltergehäuse 20 eingebaut, um eine Beeinträchtigung
des magnetischen Pfades durch Eisenspäne usw. zu vermeiden.
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Der Schaltvorgang dieser Anordnung wird mechanisch ausgelöst, indem
ein sich bewegendes Teil der zu steuernden Maschine (meist der Schlitten) gegen
die Rolle 21 des aus dem Gehäuse herausragenden Rollenhebels 22 stößt. Der Rollenhebel
22 betätigt über eine Nockenscheibe 23 und den Steuerhebel 24 die Gabel
16. Die Gabel 16 greift nun, wie beschrieben, am Joch 2 bzw. an einem
an diesem angeordneten Bolzen 25 an. Wird der Rollenhebel 22 um den Winkel a nach
links oder nach rechts verschwenkt, so bewegt sich die Gabel 16 um den Winkel fl
entgegen dem Uhrzeigersinn. Nockenscheibe 23 und Steuerhebel 24 sind in an sich
bekannter Weise so ausgeführt, daß die Gabel 16 jeweils nach der gleichen
Seite bewegt wird, gleichgültig nach welcher Seite der Rollenhebel 22 aus seiner
Mittellage herausgeschwenkt wird. Die eigentliche Schaltbewegung geht, wie bereits
beschrieben, vor sich.
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Bei einem Ausschlag des Rollenhebels 22 und der hervorgerufenen Bewegung
der Gabel 16 wird zunächst das Joch 2 von dem Arm 18 der Gabel 16 nicht berührt,
dann greift der Arm 18 am Bolzen 25 an und drückt das Joch 2 in die Mittellage.
Der Arm 19 der Gabel 16 hat in dieser Stellung vom Bolzen 25 etwas Abstand,
so daß die durch die Anzugskraft des Schenkels 6 mit der Sekundärspule 7' hervorgerufene
restliche Kippbewegung des Joches 2 schlagartig und unabhängig von der Gabelbewegung
erfolgen kann. Bei Rückführung des Rollenhebels 22 in dessen Mittellage bewegt sich
die Gabel 16 entgegengesetzt, also in A b b. 4 im Uhrzeigersinn, und drückt
das Joch 2 wieder in entgegengesetzter Richtung, wobei bei überschreiten der Mittellage
wiederum eine Schnappbewegung des Joches 2 zum Streuschenkel 10 hin erfolgt.
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Das beschriebene Schaltelement ist für eine große Anzahl von Schaltanordnungen
verwendbar. An die Sekundärwicklung kann sowohl, wie in A b b. 1 gezeigt, ein Gleichstromrelais,
aber auch ein Wechselstromrelais angeschlossen werden. Ein Gleichstromrelais hat
gegenüber einem Wechselstromrelais den Vorteil, daß ein kleinerer Streuluftspalt
und damit ein kleineres Induktionssystem erforderlich ist.
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Das erfindungsgemäße Schaltelement kann sowohl durch mechanische als
auch mit Handbetätigung, in Verbindung mit einem Gleichstrom- oder Wechselstromrelais
oder einem Magnetverstärker bekannter Bauart mit einer oder mehreren Steuerwicklungen
verwendet werden.
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Indem das Schaltelement an Stelle des nachgeschalteten Gleichstromrelais
die Steuerwicklung des Magnetverstärkers erregt, nicht erregt, gegen-oder teilerregt,
wird dadurch eine Vorrichtung geschaffen, mit der ein völlig kontaktloses An- und
Ausschalten und sogar Steuern von Elektromotoren möglich ist. Bei der Steuerung
kontinuierlicher Vorgänge, z. B. bei der Regelung der Drehzahl eines Elektromotors,
würde die Sprungschaltung des Schaltelementes in Fortfall kommen und durch einen
zwangläufigen Antrieb des Joches ersetzt werden, wobei jeder beliebigen Stellung
des Joches eine entsprechend veränderte Spannung oder veränderter Strom zugehört.