DE2611507C3

DE2611507C3 - Kontaktloser Schalter mit magnetfeldabhängigen Widerständen

Info

Publication number: DE2611507C3
Application number: DE19762611507
Authority: DE
Inventors: Thomas 8400 Regensburg Kuchlmayr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-18
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1981-08-13
Also published as: DE2611507A1; AU2266677A; DE2611507B2; AU505246B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kontaktlosen Schalter mit magnetfeldabhängigen Widerständen (Feldplatten), die jeweils in einem Vormagnetisierungskreis derart angeordnet sind, daß sie von den Vormagnetisierungsfeldern gegensinnig durchsetzt werden, und die elektrisch in eine Brücke geschaltet sind, welche für die durch die Vormagnetisierungsfelder bestimmten Widerstandswerte der magnetfeldabhängigen Widerstände abgeglichen ist, und mit einer Steuermagnetanordnung in Form eines Klauenrades, das relativ zu den magnetfeldabhängigen Widerständen drehbar angeordnet ist, wobei die relative räumliche Orientierung zwischen magnetfeldabhängigen Widerständen und Klauenrad so gewählt ist, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände sich im Wirkungsbereich des Klauenrades befinden.

Weiterhin betrifft die Erfindung einen entsprechenden kontaktlosen Schalter mit wenigstens einem Hall-Generator und mit einer Steuermagnetanordnung in Form eines Klauenrade*, das relativ zum Hall-Generator drehbar angeordnet ist, wobei die relative räumliche Orientierung zwischen Hall-Generator und Klauenrad so gewählt ist, daß der Hall-Generator sich im Wirkungsbereich des Magnetfeldes des Klauenrades befindet.

Es ist ein genannter Feldplatten-Differential-Fühler bekannt geworden, welcher bei der Anmelderin erhältlich ist. Ein derartiger Feldplatten-Differential-Fühler besitzt generell den in F i g. 1 dargestellten räumlichen konstruktiven Aufbau. Dabei sind zwei Feldplatten 1 und 2 in jeweils einem Vormagnetisierungskreis angeordnet Diese Vormagnetisierungskreise besitzen jeweils einen Dauermagneten S bzw. 4, deren Nordpol mit Nund deren Südpol mit ^bezeichnet ist Dies Dauermagnete 3 und 4 werden durch jeweils einen Polschuh 5 bzw. 6 sowie flußleitende Polbleche 7, 9 bzw. 8, 10 zu jeweils einem magnetischen Kreis

ίο vervollständigt. Die Feldplatten 1 und 2 sind dabei jeweils im Luftspalt zwischen einem Polschuh 5 bzw. 6 und einem flußleitenden Polblech 7 bzw. 8 angeordnet. Die in diesen magnetischen Kreisen wirksamen Vormagnetisierungsfelder sind durch gestrichelte Linien 11 bzw. 12 angedeutet. Bei der gewählten Polarität der Dauermagneten 3 und 4 werden die Feldplatten 1 und 2 gegensinnig von den Vormagnetisierungsfeldern durchsetzt. Stromzuführungselektroden der Feldplatten 1 und 2 sind aus Übersichtlichkeitsgründen in F i g. 1 nicht dargestellt. Der Strom durchfließt die Feldplatte in ihrer aus F i g. 1 ersichtlichen Längsrichtung (senkrecht zu den sie durchsetzenden Vormagnetisierungsfeldern).

Gemäß Fig.2 sind die Feldplatten elektrisch in eine

Brücke geschaltet. Der der Feldplatte 1 nach F i g. 1 entsprechende Widerstand ist in F i g. 2 mit R\ bezeichnet, während der der Feldplatte 2 nach Fig. 1 entsprechende Widerstand in F i g. 2 mit /?2 bezeichnet ist. Die Brücke wird durch zwei weitere Widerstände Ri und Ra verv oUständigt. An Klemmen 20 und 21 wird eine Eingangsspannung Ue in die Brücke eingespeist. Im Nullzweig der Brücke ist an Klemmen 22 und 23 eine Brückenausgangsspannung Ua abnehmbar.

Wirkt außer den Vormagnetisierungsfeldern nach F i g. 1 kein weiteres Magnetfeld auf die Feldplatten 1 und 2 ein, so ist die Brücke nach F i g. 2 mit den diesen Vormagnetisierungsfeldern entsprechenden Widerstände R\ und /?2 der Feldplatten abgeglichen, d. h., die Ausgangsspannung U_A der Brücke nach F i g. 2 ist gleich Null.

■to Zur Ansteuerung eines Feldplatten-Differential-Fühlers nach F i g. 1 ist eine Steuermagnetanordnung in Form eines Klauenrades 30 gemäß Fig.3 vorgesehen. Ein derartiges Magnet-Klauenrad kann so aufgebaut werden, daß auf einen kreisringförmigen Dauermagnets ten zwei kreisringförmige Scheiben aufgebracht werden, die jeweils nach oben bzw. nach unten weisende Klauen 31 bzw. 32 aufweisen, wie dies in Fig.3 schematisch dargestellt ist. Die Anordnung ist insbesondere so getroffen, daß die Unterseite des Klauenrades den Nordpol (N) und die Oberseite den Südpol (S) darstellt.

In Fig.4 ist ein Teil eines solchen Klauenrades perspektivisch und vergrößert dargestellt. Es zeigt sich, daß bei einem solchen Magnet-Klauenrad ein im wesentlichen horizontal zwischen Klauen 31 und 32 verlaufende Klauenfeld 33 und ein zwischen Klauen 31 bzw. 32 sowie den kreisringförmigen Scheiben aus magnetisierbarem Material verlaufendes Streufeld 34 vorhanden ist.

Wird nun ein derartiges Klauenrad räumlich derart relativ zu einem Feldplatten-Differential-Fühler nach Fig. 1 angeordnet, daß eine Achse 35 (s. Fig.3) des Klauenrades parallel zu den Flächen der Feldplatten 1 und 2 verläuft, welche senkrecht von den Vormagnetisierungsfeldern durchsetzt werden, so gelangen die Feldplatten sukzessive in die Wirkung der Steuerfelder 33 und 34, wenn das Klauenrad um die Achse 33 in Rotation versetzt wird. Die Lage des Feldplatten-Dif-

ferential-Fühlers relativ zur Achse bzw. zur Ebene des KJauenrades ist für diesen Fall schematisch ebenfalls in Fig.4 für zwei verschiedene Stellungen als Funktion der Rotation des Klauenrades dargestellt. Aus Obersichllichkeitsgründen sind dabei lediglich die Feldplatten 1 und 2 sowie Teile der flußleitenden Polbleche 7 und 8 dargestellt

Ersichtlich wirkt sich das zwischen den Klauen 31 und

32 des Klauenrades 30 horizontal verlaufende Klauenfeld 33 voll auf die Feldplatten 1 und 2 aus und verstärkt bzw. schwächt das jeweilige Vormagnetisierungsfcld. Bei der gewählten räumlichen Anordnung (s. F i g. 1 und 4) wird das Feld in der linken Feldplatte verstärkt und in der rechten Feldplatte geschwächt, wodurch der Widerstand R2 der linken Feldplatte vergrößert und der Widerstand R\ der rechten Feldplatte verringert wird.

Das Streufeld 34 wirkt sich dagegen praktisch nicht auf den Widerstandswert der Feldplatten aus, so daß durch dieses Feld 34 im Vergleich zum Klauenfeld 33 praktisch keine Widerstandsänderung der Feldplatten 1 und 2 hervorgerufen wird.

Das im wesentlichen in der Ebene des Klauenrades 30 liegende Klauenfeld 33 ist im Bereich zwischen zwei Klauen 31, 32 am stärksten. Im Bereich zwischen zwei Klauenpaaren nimmt die Feldstärke des Klauenfeldes

33 von einem Klauenpaar zur Mitte hin ab und von dort bis zum nächsten Klauenpaar wieder zu. Weiterhin sind die Richtungen des Klauenfeldes 33 zwischen zwei Klauen 31, 32 bzw. zwischen zwei Klauenpaaren gegensinnig.

Der Verlauf der Ausgangsspannung Ua der Brücke nach F i g. 2 ist in F i g. 5 anhand einer ausgezogenen Kurve 40 dargestellt, in der die Ausgangsspannung U_n als Funktion des mit D bezeichneten Weges des Klauenrades dargestellt ist. Die Ausgangsspannung Ua besitzt zunächst ein im Negativen liegendes Minimum, das dann vorhanden ist, wenn sich die Feldplatten im mittleren Bereich zwischen zwei Klauenpaaren befinden, da dort das Klauenfeld 33 am schwächsten ist. Nähern sich die Feldplatten einem Klauenpaar 31,32, so durchläuft die Ausgangsspannung Ua ein Maximum im Negativen, weil das Klauenfeld 33 gegen die Klauen 31 und 32 hin zunimmt. Da sich die Richtung des auf die Feldplatten wirkenden Steuermagnetfeldes umkenrt, wenn die Feldplatten aus dem Bereich zwischen zwei Klauenpaaren in den Bereich des Klauenfeldes 33 zwischen einem Klauenpaar 31,32 gelangen, durchläuft die Steuerspannung Ua nach dem Maximum im Negativen die Nullinie und erreicht im Bereich zwischen zwei Klauen 31,32 ein im Positiven liegendes Maximum. Sodann verläuft sie wiederum durch die Nullinie, wenn der Fühler aus dem Bereich zwischen zwei Klauen 31,32 wiederum in den Bereich zwischen zwei Klauenpaaren gelangt, wonach zunächst in Klauennähe wiederum ein Maximum im Negativen, sodann das Minimum im mittleren Bereich und wiederum ein Maximum im Negativen in der Nähe des nächsten Klauenpaares auftritt.

Soll die Brückenausgangsspannung Ua zum Schalten ausgenutzt werden, indem die Brücke eine Triggerstufe (nicht dargestellt) nachgeschaltet wird, so wäre es an sich zweckmäßig, den Triggerpegel in die Nullinie zu legen, da die Ausgangspannung Ua im Nulldurchgang neben der größten Steilheit die geringste Temperaturabhängigkeit und die geringste Abhängigkeit von der Gestalt des Luftspaltes zwischen Klauenrad und Fühler aufweist. Nachteilig ist dabei jedoch, daß der Abstand des Minimum der Ausgangsspannung Ua, der in F i g. 5 mit a\ bezeichnet ist, sehr klein ist Kleine Störungen, beispielsweise Verschiebungen der Kurve 40 nach Fig.5 aufgrund von Temperaturänderungen können daher zu Schaltfehlern führen, wenn der Abstand a\ so klein wird, daß das Minimum praktisch in die Nullinie fällt

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schalter der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem der vorgenannte Nachteil vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei kontaktlosen Schaltern der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände mit ihren vom Vormagnetisierungsfeld durchsetzten Flächen gegen die Ebene des Klauenrades geneigt sind. Bei Verwendung eines Hall-Generators sind in Weiterbildung der Erfindung dessen dem Magnetfeld auszusetzende Flächen gegen die Ebene des Klauenrades geneigt

Der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen haben dabei gezeigt, daß der Effekt maximal wird, wenn der Neigungswinkel etwa 20 Grad beträgt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der F i g. 4 bis 11 der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Klauenrades sowie eines ungeneigten Feldplatten-Differential-Fühlers in zwei Stellungen relativ zum Klauenrad;
F i g. 5 neben dem ausgezogen dargestellten Verlauf

jo der Ausgangsspannung der Brücke nach F i g. 2 bei ungeneigtem Feldplatten-Üifferential-Fühler einen gestrichelt dargestellten Verlauf der Ausgangsspannung der Brücke nach Fi g. 2 bei geneigtem Feldplatten-Differential-Fühler;

F i g. 6 eine ebene Darstellung, aus der der Verlauf des Magnetfeldes eines Klauenrades nach F i g. 4 durch einen ungeneigten Feldplatten-Differential-Fühler ersichtlich ist;

F i g. 7 eine ebene Darstellung, aus der der Verlauf des Magnetfeldes eines Klauenrades nach Fig.4 durch einen geneigten Feldplatten-Differential-Fühler ersichtlich ist;

F i g. 8 bis 10 jeweils ein Diagramm der Ausgangspannung der Brücke nach F i g. 2; und

•45 Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines Hall-Generators.

F i g. 6 zeigt einen in F i g. 4 perspektivisch dargestellten Teil eines Feldplatten-Differential-Fühlers in ebener Darstellung. Das Streufeld 34 durchsetzt diesen Fühler

so in Richtung des Stromflusses durch die Feldplatten 1 und 2, so daß es in dieser Stellung des Fühlers keinen Einfluß auf dessen Widerstandwert hat.

Gemäß der ebenen Darstellung nach Fig. 7 ist der Feldplatten-Differential-Fühler erfindungsgemäß mit einer Ebene 71 so gegen die mit 70 bezeichnete Ebene des Klauenrades 30 geneigt, daß die Feldplatten 1 und 2 auch in den Wirkungsbereich einer senkrecht auf der Richtung des Stromflusses stehenden Komponente 35 des Streufeldes 34 gelangen, so daß das im Negativen liegende Minimum und auch die im Negativen liegenden Maxima der Brückenausgangsspannung Ua tiefer im Negativen liegen. Gemäß einer gestrichelt dargestellten Kurve 41 in Fig.5 besitzt das Minimum nun einen Abstand a₂ von der Nullinie. Eine Komponente 36 der Streufelder 34 hat nach wie vor praktisch keine.· Einfluß auf das Widerstandsverhalten der Feldplatten.

Fig. 8 zeigt schematisch, wie sich der Verlauf der Brückenausgangsspannung Ua als Funktion der Tempe-

ratur oder der Breite des Luftspaltes zwischen Fühler und Klauenrad (s. Fig. 1) ändert. Eine Kurve 81 zeigt dabei einen Verlauf mit gegenüber einem Verlauf nach einer Kurve 80 größerer Temperatur oder breiterem Luftspalt zum Klauenrad 30. Aufgrund der Symmetrie der beiden Feldplatten im Fühler schneiden sich die verschiedenen Kurvender Ausgangsspannungen L^bei verschiedenen Luftspalten zum Klauenrad sowie bei verschiedenen Temperaturen alle im Nulldurchgang.

F i g. 9 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Ua bei unverdrehtem Fühler in Bezug auf die Ebene des Klauenrades für große Temperatur oder großem Luftspalt (Kurve 91) bzw. für kleine Temperatur und kleinen Luftspalt (Kurve 90). Aufgrund der geringen Nullpunktfreiheit (Abstand a\ des Minimums im Negativen) muß der Triggerpege! Um mindestens etwa 4% der Brückeneingangsspannung Ue(Fig. 2) betragen. Aufgrund eines Abstandes S₁ der Schnittpunkte der Kurven 70 und 71 mit dem Triggerpegel Utr kann (beispielsweise als Funktion von Temperaturänderungen) immer noch eine Verschiebung des Schaltpunktes in einer nachgeschalteten Triggerstufe auftreten.

F i g. 10 zeigt entsprechende Verläufe 100 und 101 der Brückenausgangsspannung Ua für einen Verdrehungswinkel des Differential-Feldplatten-Fühlers von α = 20 Grad gegen die Ebene des Klauenrades mit einer größeren Nullpunktfreiheit (Abstand Si des im Negativen liegenden Minimums). Hier kann der Triggerpegel in die Nullinie verlegt werden, so daß aufgrund der größeren Nullpunktfreiheit 32 immer noch eine Fehltriggerung ausgeschlossen werden kann. Man erreicht also bei Triggerung im Nulldurchgang eine weitgehende temperatur- und luftspallunabhängige Triggerinformation, da hier im Nullpunkt ein Abstand St

zwischen den Schnittpunkten der Kurven 100 und 101 mit dem Triggerpegel praktisch nicht vorhanden ist.

Die Wirkungsweise des konlakllosen Schalters gemäß der Erfindung beruht unter anderem auch darauf, daß ein Feldplatten-Differential-Fühler gemäß Fig. 1 die Richtung eines Magnetfeldes zu »erkennen« vermag. Dies kommt durch den Verlauf der Brückenausgangsspannung Ua nach Fig.5, weil dort für die Richtungsumkehr des Klauenfeldes 33 zwischen zwei Klauen 31,32 einerseits und zwischen zwei Klauenpaaren andererseits (s. Fig.4) die Kurve oberhalb bzw. unterhalb der Nullinie verläuft.

Aus diesem Grunde kann ein erfindungsgemäßer kontaktloser Schalter auch mit allen anderen galvanomagnetischen Bauelementen realisiert werden, die eine Magnetfeldrichtung »erkennen« können.

Ein weiteres Beispiel für ein solches Bauelement ist ein Hallgenerator, wie er in Fig. 11 dargestellt ist. Bei einem solchen Hall-Generator 110 sind zwei Elektroden 111, 112 vorgesehen, über die ein Strom eingespeist wird. Weiterhin sind am Hall-Generator 110 zwei Hall-Elektroden vorgesehen. Wirkt auf den Hall-Generator auf die Flächen, welche auf den Elektrodenflächen senkrecht stehen, ein Magnetfeld ein, so tritt an den Hall-Elektroden eine Spannung auf, deren Polarität von der Richtung des Magnetfeldes abhängig ist, d.h., bei gegensinniger Richtung des Magnetfeldes ist auch die Polarität der Hall-Spannung gegensinnig.

Wird nun ein Hall-Generator 110 nach Fig. 11 mit seinen dem Magnetfeld auszusetzenden Flächen gemäß Fig.4 in den Wirkungsbereich des Magnetfeldes eines Klauenrades 30 gebracht, so treten auch dabei die Wirkungen auf, wie sie anhand der F i g. 4 bis 7 erläutert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

26 Π 507 Patentansprüche:

1. Kontaktloser Schalter mit magnetfeldabhängigen Widerständen (Feldplatten), die jeweils in einem Vormagnelisierungskreis derart angeordnet sind, daß sie von den Vormagnetisierungsfeldern gegensinnig durchsetzt werden, und die elektrisch in eine Brücke geschaltet sind, welche für die durch die Vormagnetisierungsfelder bestimmten Widerstandswerte der magnetfeldabhängigen Widerstände abgeglichen ist, und mit einer Steuermagnetanordnung in Form eines Klauenrades, das relativ zu den magnetfeldabhängigen Widerständen drehbar angeordnet ist, wobei die relative räumliche Orientierung zwischen magnetfeldabhängigen Widerständen und Klauenrad so gewählt ist, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände sich im Wirkungsbereich des Klauenrades befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände (1, 2) mit ihren vom Vormagnetisierungsfeld durchsetzten Flächen gegen die Ebene des Klauenrades (30) geneigt sind.

2. kontaktloser Schalter mit wenigstens einem Hall-Generator und mit einer Steuermagnetanordnung in Form eines Klauenrades, das relativ zum Hall-Generator drehbar angeordnet ist, wobei die relative räumliche Orientierung zwischen Hall-Generator und Klauenrad so gewählt ist, daß der Hall-Generator sich im Wirkungsbereich des Magnetfeldes des Klauenrades befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Hall-Generator mit seinen dem Magnetfeld auszusetzenden Flächen gegen die Ebene des Klauenrades (30) geneigt ist.

3. Kontaktloser Schalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel etwa 20° beträgt.