DE1279190B - Magnetisch betaetigter Schutzrohrkontakt - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIh

Deutsche KL: 21g-4/01

Nummer: 1279 190

Aktenzeichen: P 12 79 190.1-33 (B 87502)

Anmeldetag: 10. Juni 1966

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft einen magnetisch betätigten Schutzrohrkontakt, der in einem rohrförmigen Gehäuse zwei an gegenüberliegenden Enden verankerte, federnde, elektrisch leitende Schaltzungen aus magnetisierbarem Material enthält, deren freie Enden sich im mittleren Teil des Gehäuses mit geringem Abstand gegenüberliegen und mit je einem den Zungen zugeordneten Anschlag, an welchem die Zungen in ihrem Ruhezustand mit Vorspannung anliegen.

Wenn bei Schutzrohrkontakten der vorgenannten Art durch die magnetische Anziehung die Zungen gegeneinander gebogen werden, entstehen in ihnen entgegengesetzt gerichtete Rückstellkräfte. Im Anfangsstadium des magnetischen Feldaufbaues befinden sich die Magnetkräfte und die Biegungskräfte beider Zungen etwa im Gleichgewicht, so daß sich die Zungenspitzen nur relativ langsam und nur über einen kleinen Weg aufeinander zu bewegen. Bei weiterem Feldaufbau vergrößern sich die magnetischen Anziehungskräfte wesentlich schneller als die ao Biegungskräfte, da die Anziehung zwischen den Zungenspitzen umgekehrt mit dem Quadrat des Abstandes zwischen den Zungenspitzen und proportional zur magnetischen Feldstärke wächst, während sich die Rückstellkraft der Zungen nur linear mit der »5 Durchbiegung vergrößert. Daher werden die Zungen am Ende des Feldaufbaues sehr heftig gegeneinander beschleunigt, so daß sie mit erheblicher kinetischer Energie aufeinanderprallen. In vielen Fällen erfolgt dieser Aufprall in Form einer Reihe von schnellen und kurzen Kollisionen und Trennungen der Zungenspitzen. Dieser unerwünschte flatternde Aufprall ist seit langem in der Technik bekannt.

Bei erster Augenscheinnahme könnte man den Eindruck gewinnen, daß dieses flatternde Aufprallen zu beseitigen oder zumindest erheblich zu vermindern ist, indem man den Abstand zwischen den Zungen in der Offenstellung verkleinert, so daß bei der Schließbewegung keine ausreichend große kinetische Energie für einen solchen flatternden Aufprall entstehen kann. Dieses Hilfsmittel führt aber zu keiner brauchbaren Lösung, weil bei zu kleinem Spalt zwischen den Zungen in der Schließstellung nur eine sehr kleine Biegespannung entsteht, so daß sich die Trenngeschwindigkeit bei der Kontaktöffnung vermindert und der Schutzrohrkontakt schlechte Betriebseigenschaften erhält.

Die Prallprobleme bei den bisher bekannten, schnell schaltenden Schutzrohrkontakten mit starrem Anschlag für die Zungen werden weiter kompliziert durch die mechanischen Schwingungen der Zungen nach dem öffnen. Wenn ein Schutzrohrkontakt nach Magnetisch betätigter Schutzrohrkontakt

Anmelder:

Briggs & Stratton Corporation,

Milwaukee, Wis. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. W. Schöning, Patentanwalt,

2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 31

Als Erfinder benannt:

John Domonic Santi, Milwaukee, Wis. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. August 1965 (482 699)

dem Abbau oder dem Verschwinden des betätigenden Magnetfeldes wieder öffnet, kehren die Zungen unter dem Einfluß ihrer eigenen Biegespannung in ihre normale Offenstellung zurück. Bei dieser Rückkehrbewegung entstehen Schwingungen, deren Frequenz durch den natürlichen mechanischen Aufbau festgelegt ist. Wenn beim nächsten nachfolgenden Aufbau des betätigten Magnetfeldes die Zungen noch vibrieren, wird der Schließzeitpunkt in unzulässiger Weise ungenau. Wenn das Magnetfeld seinen für die Kontaktschließung erforderlichen Wert gerade erreicht hat, wenn die Schwingungen die Zungen maximal getrennt haben, schließt der Kontakt zu spät. In diesem Fall hat der magnetische Fluß nicht nur die Trägheit der Zungen zu überwinden, sondern ist auch noch dadurch benachteiligt, daß die magnetische Anziehung zwischen den Zungenspitzen mit dem Quadrat des Abstandes vermindert ist. Wenn das schaltende Magnetfeld die Zungen zu einem Zeitpunkt in Bewegung setzt, an dem die schwingenden Zungenspitzen sich einander sehr weit genähert haben, kommt es zu einer zu frühen Schließung. Da es praktisch unmöglich ist, die mechanische Frequenz der Zungen mit der Zeitgabe der Schaltperiode zu koordinieren, konnten die bisher bekannten Zungenschalter beim schnellen Schalten nicht genau genug auf eine bestimmte Schaltzeit eingestellt werden.

In Berücksichtigung vorstehender Ausführungen bezweckt die Erfindung die Schaffung eines einfachen, billigen und langlebigen Schutzrohrkontaktes,

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der auch bei hoher Schaltfrequenz zeitlich exakte Schaltungen ermöglicht, indem er die Vorteile der mechanischen Zungenschwingungen nach der Kontaktöffnung ausnutzt und den Zungen eine gedämpfte hochfrequente Schwingungsbewegung von geringer Amplitude erteilt, so daß der mittlere Luftspalt zwischen den Zungen während dieser Schwingungsbewegung kleiner ist als der Normal- oder Ruheluftspalt. Hierdurch sind die Zungen während ihrer Schwingungsperiode besonders leicht durch den Aufbau eines betätigten Magnetfeldes ansprechbar und gewährleisten trotz eines nur kleinen Luftspaltes eine sehr schnelle, saubere Trennung der Kontakte beim Öffnen.

Die vorstehenden Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Anschlag je ein elastischer Stab mit größerer Steifigkeit als die Zunge vorgesehen ist, der sich in deren Längsrichtung auf der der Kontaktgabe abgewandten Seite der Zunge errend die steiferen Stäbe 7 der beiden Zungenpaare nur Anschläge für die flexiblen Zungen bilden, um deren normale mechanisch bedingte Schwingungsfrequenz zu vergrößern und deren Amplitude zu verkleinern und auch um das magnetische Ansprechen zu verbessern.

Die Stäbe 7 können aus dem gleichen Material wie die flexiblen Zungen 6 gemacht werden, doch sollten sie einen größeren Querschnitt haben.

Die Zungen 6 befinden sich in einem Schutzrohr 9 aus Glas oder einem anderen inerten und elektrisch nicht leitenden Material. Aus dem Glasrohr kann die atmosphärische Luft evakuiert sein, d. h., es kann ein Teil- oder Vollvakuum vorhanden sein. Je nach dem Verwendungszweck der Vorrichtung kann das Rohr aber auch mit einem inerten Gas gefüllt sein.

Die beiden Zungenpaare liegen sich im Rohr im wesentlichen axial so gegenüber, daß sich ihre freien Enden oder Spitzen 8 im Mittelteil des Rohres mit

streckt und der mit einem Ende in der Nähe des Be- 20 Abstand überlappen, um einen Luftspalt 13 zu bilfestigungsendes der Zunge befestigt ist. den. Beide Zungenpaare sind — beispielsweise durch

Sorgfältig

gäbe elektronischer Schaltvorrichtungen vergleichbar ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungs-

F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche Ansicht bei geschlossenem Kontakt,

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie 3-3 der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab,

F i g. 4 eine zerlegte Teilansicht der Zungen und Anschläge des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes,

F i g. 5 ein Schwingungsdiagramm der Zungen-Verschweißungen 10 — am inneren Ende von Anschlußstiften 11 befestigt, die koaxial durch Endöffnungen ins Rohr hineinragen. Das Material des Rohres ist um die Stifte und die Schweißstellen 10 herumgeschmolzen, um eine starre Lagerung und eine gute Abdichtung zwischen den Stiften und dem Rohr sicherzustellen. Die Außenenden der Stifte 11 ragen aus dem Rohr heraus und bilden Anschluß

durchgeführte oszilloskopische Untersuchungen des erfindungsgemäßen Schutzrohrkontaktes zeigen beim einmaligen Schalten einen sehr kleinen Pralleffekt, bei schneller wiederholter Kontaktbetätigung aber keinerlei störende Prallerscheinungen, so daß gerade unter den besonders kritischen Bedingungen, für die der erfindungsgemäße Schutzrohrkontakt vorgesehen ist, eine zeitlich exakte Kontaktgabe sichergestellt ist, die für verschiedene Anwen- 30 klemmen

düngen durchaus mit der zeitlich exakten Kontakt- Bei den Zungenpaaren sind die flexiblen Schalt

zungen 6 einander benachbart angeordnet, d. h., die Stäbe 7 liegen jeweils an der Seite der zugehörigen flexiblen Zunge 6, die von der anderen flexiblen Zunge abgelegen ist.

Zunge 6 und Stab 7 eines jeden Paares sind an den Einspannungsenden 12 fest miteinander und mit dem inneren Ende des Stiftes 11 verbunden. Im übrigen können sie aber über ihre gesamten Längen frei und

gemäß ausgebildeten Schutzrohrkontakt in geöffneter 40 unabhängig voneinander schwingen. Zunge 6 und Ruhestellung, Stab 7 eines jeden Paares haben vorzugsweise gleiche

Längen, so daß ihre beiden Spitzen bündig miteinander abschließen.

Im Gegensatz zu dem bisherigen Fachwissen auf diesem Gebiet scheint kein besonderer Vorteil darin zu liegen, auch die Stäbe 7 aus magnetisierbarem Material herzustellen. Es möchte so scheinen, daß bei der Verwendung von magnetisierbarem Material für Zungen und Stäbe ein im Bereich des Luftspaltes 13

spitze von älteren üblichen Schutzrohrkontakten nach 50 angreifendes längsorientiertes Magnetfeld nicht nur der Kontakttrennung und die Spitzen der Zungen aufeinander zu bewegt, son

dern auch eine Abstoßung zwischen den Zungen 6 und den Stäben 7 hervorruft. Der Erfinder konnte jedoch feststellen, daß, soweit dieser Abstoßungseffekt überhaupt auftritt, er nur so lange vorhanden ist, bis sich die Zungen 6 geringfügig von ihrem Stab entfernt haben. Nach dieser anfänglichen Trennung jedoch können sich aber Unterschiede der Magnetkraft zwischen Schaltzunge und Anschlagstab einstellen. Wenn das betätigende Magnetfeld einen ausreichend großen Wert hat, um die dünneren Schaltzungen nach dem Berühren magnetisch zu sättigen, kann der

Fig. 6 ein der Fig. 5 ähnliches Diagramm der Zungenbewegungen beim erfindungsgemäßen Schutzrohrkontakt.

Der in der Zeichnung dargestellte, als Schließer ausgebildete Schutzrohrkontakt 5 enthält zwei Zungenpaare. Jedes Paar besteht aus einer elektrisch leitenden, magnetisch permeablen flexiblen Schaltzunge 6 und einem wesentlich steiferen Anschlagstab?, der ebenfalls magnetisierbar sein kann und die flexible Zunge 6 im wesentlichen auf der gesamten Länge abstützt. Die dünnere Zunge 6 liegt mit Vorspannung am Stab 7 an, d. h., sie ist in Richtung auf den Stab vorgespannt, so daß sie dort mit einer gewissen Kraft zur Anlage kommt, wenn sich der Kontakt in der Öffnungs- oder Ruhestellung befindet.

Die inneren Zungenspitzen 8 der beiden flexiblen Schaltzungen 6 bilden die eigentlichen Kontakte, wäh-Unterschied der Magnetkraft zwischen Schaltzunge 6 und zugehörigem Anschlagstab 7 so groß werden, daß der Stab der Schaltzunge folgt. Der in Fig. 2 dargestellte geschlossene Zustand des Kontaktes stellt sich ein, wenn das betätigende Magnetfeld für eine solche Kontaktschließung groß genug geworden ist.

Wenn man aber die Magnetkraft des Feldes noch weiter vergrößert, würde man feststellen, daß die Spitzen der Stäbe 7 den Spitzen der zugehörigen Schaltzungen 6 eher enger benachbart, als weiter von ihnen entfernt sind.

Wenn auch kein wesentlicher Betriebsvorteil darin liegen mag, die Stäbe 7 aus magnetisierbarem Material herzustellen, so liegt — wie die vorstehenden Ausführungen zeigen — doch auch kein merklicher Nachteil darin, so vorzugehen. Es kann aber für die Herstellung bequemer sein, die Stäbe 7 aus dem gleichen Material wie die Zungen 6 herzustellen. Im Hinblick auf die Arbeitsweise des Kontaktes ist es ebenfalls nicht wesentlich, daß die Stäbe 7 die gleiche Länge wie die Schaltzungen 6 haben, doch ergeben sich bei gleichen Längen Erleichterungen bei der Herstellung.

Das Schließen des erfindungsgemäßen Kontaktes in zeitlich genau festgelegter Beziehung zum Aufbau des Magnetfeldes wird unmittelbar nach dem öffnen durch die Funktion der Anschlagstäbe 7 sichergestellt. Ohne Stäbe 7 würden die flexiblen Schaltzungen 6 nach der Öffnungsbewegung durch Trägheit eine Zeitlang schwingen. Hierbei würden die Zungen gegenüber der normalen geöffneten Ruhestellung im wesentlichen ausschwingen. F i g. 5 erläutert diese Bewegung einer Zungenspitze ohne den erfindungsgemäß vorgesehenen Anschlagstab.

Jede Schaltzunge 6 hat eine Vorspannung, die sie mit ihrer Spitze gegen den Stab 7 drückt. Diese Vorspannung entsteht dadurch, daß die Schaltzunge 6 in Längsrichtung gekrümmt ist, wie es die F i g. 4 zeigt. Die Zunge 6 wird am Stab 7 flach anliegend befestigt, wenn Schaltzunge und Stab an dem Stift 11, z. B. durch Verschweißen, befestigt werden. Auf diese Weise erhält beim zusammengebauten Kontakt die Schaltzunge 6 eine Biegespannung, durch die die Zungenspitze gegen den Stab gedrückt wird.

Diese Vorspannung an den Schaltzungen führt zu verschiedenen wichtigen Konsequenzen.

Zunächst einmal sorgt die Vorspannung — selbst wenn der normale Luftspalt 13 zwischen den Schaltzungen im Ruhezustand sehr klein ist — für ein sehr schnelles Trennen der Kontakte, sobald das betätigende Magnetfeld auf den öffnungswert absinkt. Daher kann man den erfindungsgemäßen Kontakt mit einem extrem kleinen Luftspalt 13 auslegen und den Spalt so klein machen, wie es unter Berücksichtigung der verwendeten Spannungen für den zu schaltenden Stromkreis möglich ist. Dieser kleine Luftspalt führt dann dazu, daß der Kontakt sehr schnell und verläßlich auf ein kleines betätigendes Magnetfeld anspricht. Wegen des kleinen Luftspaltes können die Zungen beim Schließen auch keine so großen kinetischen Energien ansammeln, daß es zu Abpralleffekten kommt.

Die Vorspannung an den Schaltzungen 6 sorgt auch für ein sehr schnelles und verläßliches Schließen. Verständlicherweise muß das betätigende Magnetfeld auf einen bestimmten hohen Wert angestiegen sein, bevor die Vorspannung so weit überwunden wird, daß sich die Schaltzungen 6 von ihren Stäben 7 lösen. Die nachfolgend an der Schaltzunge durch das Verbiegen in die Schließstellung auftretenden Spannungen sind gegenüber der Vorspannung relativ klein. Wenn sich die Spitze der Schaltzunge 6 von der Spitze des Stabes 7 gelöst hat, vergrößert sich die magnetische Anziehung zwischen den Schaltzungenspitzen ganz wesentlich schneller als die Biegespannung in den Zungen.

Sehr wichtig ist auch, daß die Vorspannung der. Schaltzungen die mechanische Schwingung der Zunge, die jedem Öffnungsvorgang folgt, mit einer relativ hohen Frequenz und geringen Amplitude ablaufen läßt. Wegen der Vorspannung wird die Schaltzunge 6 von der Schließstellung (F i g. 2) ausgehend sehr schnell beschleunigt, wenn das schaltende Magnetfeld auf den öffnungswert absinkt, um eine erhebliche kinetische Energie anzusammeln und den Stab 7 so kräftig zu beaufschlagen, daß ein Abpralleffekt entsteht. Nach diesem Abprall schwingt die Zunge fast bis in die Schließstellung zurück, doch kommt es wegen der inneren Reibung in der Schaltzunge nicht ganz zur Kontaktschließung. Wenn das Schutzrohr stark genug evakuiert ist, hat die enge Annäherung der zurückprallenden Zungen keine Folgen. Wenn sich die Schaltzungen in einem nicht aus-

ao reichend hohen Vakuum befinden und eine gewisse Öffnungsfunkenbildung zulässig oder erwünscht ist, hat die enge Annäherung der Schaltzungenspitzen ebenfalls keine Folgen.

Auf Grund der sich wiederholenden Aufpralleffekte der Schaltzungen an den Anschlagstäben ist die Schwingungsfrequenz der Schaltzungen ganz wesentlich höher als deren natürliche mechanische Frequenz, doch ist die Schwingungsamplitude ganz wesentlich kleiner als bei einer frei ablaufenden Schwingung. Die Schwingungen der Zungenspitzen zeigt F i g. 6. Die Kurve der F i g. 6 zeigt eine scharfe Spitze am Abprallpunkt, die im Gegensatz zu der geringfügig gedämpften Sinusform der Kurve der F i g. 5 steht. Auch ist aus F i g. 6 zu erkennen, daß den aufeinanderfolgenden Aufpralleffekten der Zungenspitzen wesentlich kleinere Abstände zugeordnet sind. Da die federnden Schaltzungen 6 die Stäbe 7 nur an den Spitzen beaufschlagen und so keine merkliche Reibungsdämpfung zwischen den Schaltzungen und den Stäben entsteht, ist die Dämpfung der Zungenschwingung nicht wesentlich größer als bei einer freien Schwingung gemäß F i g. 5. Auf diese Weise bleiben die Zungen bei einem schnell schaltenden System noch von dem vorangehenden öffnungsvorgang in Schwingung, wenn der nachfolgende Schließvorgang stattfinden soll.

Wenn die Zungen so schwingen, wie es die F i g. 6 zeigt, ist der mittlere Luftspalt wesentlich kleiner als in der Ruhelage, so daß die Zungen beim Aufbau des betätigenden Magnetfeldes aufeinander zu bewegt werden können, wenn sie der kontaktgebenden Stellung wesentlich näher sind als der Ruhestellung. Somit braucht das Magnetfeld die Zungen nur über ganz kleine Wege zu bewegen, um die Zungenspitzen miteinander in Berührung zu bringen. Daher wird schneller, verläßlicher und zeitlich genauer gegenüber der Magnetfeldperiode geschaltet, als wenn sich die Zungen in der Ruhelage oder in freier Schwingung befänden. Außerdem können die Zungen beim Schließen keine zu große Aufprallenergie ansammeln und neigen daher ganz wesentlich weniger zu flatterhafter Kontaktgabe.

Verständlicherweise kommen auch die Anschlagstäbe 7 durch die Aufpralleffekte der Schaltzungen 6 in Schwingung. Wegen ihrer größeren Starrheit hat jedoch die Schwingung der Stützzungen eine wesentlich größere Frequenz und geringere Amplitude als die Schaltzunge. Die Frequenz und die Amplitude

der Stabschwingung wird durch die wiederholt auftretenden Kollisionen mit der Schaltzunge aber in gleicher Weise beeinträchtigt wie die Schaltzunge durch den Stab. In der Praxis kann daher der Stab als im wesentlichen stationär angesehen werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetisch betätigter Schutzrohrkontakt, der in einem rohrförmigen Gehäuse zwei an gegenüberliegenden Enden verankerte, federnde, elektrisch leitende Schaltzungen aus magnetisierbarem Material enthält, deren freie Enden sich im mittleren Teil des Gehäuses mit geringem Abstand gegenüberliegen und mit je einem den Zungen zugeordneten Anschlag, an welchem die Zungen in ihrem Ruhezustand mit Vorspannung anliegen, dadurchgekennzeichnet, daß als Anschlag je ein elastischer Stab (7) mit größerer Steifigkeit als die Zunge (6) vorgesehen ist, der ao

sich in deren Längsrichtung auf der der Kontaktgabe abgewandten Seite der Zunge erstreckt und der mit einem Ende in der Nähe des Befestigungsendes der Zunge befestigt ist.

2. Schutzrohrkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Schaltzungen (6) und Anschlagstäben (7) mit je einem Anschlußstift (11) fest verbunden und die Verbindungspunkte (10) fest in die Schutzrohrwände eingeformt sind.

3. Schutzrohrkontakt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagstäbe (7) aus dem gleichen magnetisierbaren Material bestehen wie die Schätzungen (6).

4. Schutzrohrkontakt nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlagstäbe (7) und Schaltzungen (6) gleich lang sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-PatentschriftNr. 2 548 889.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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