DE4409010A1 - Elektromagnetische Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einem beweglichen Organ, welches Kontakte aufweist, die mit festen Kontakten zusammenarbeiten, und welches durch einen Elektromagneten verschiebbar ist, wobei die Position des beweglichen Organs durch einen Sensor detektiert wird, um den Spulenstrom zu steuern.

In dem französischen Patent Nr. 2.006.888 wurde bereits vor­ geschlagen, eine Schaltvorrichtung mit einem Sensor auszu­ rüsten, welcher die Position des beweglichen Organs detek­ tiert, um den Spulenstrom zu steuern.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, den Spulenstrom über die gesamte Verschiebungsstrecke des beweglichen Organs zu steuern. Sie erlaubt, die Schließkraft sowie die elektrische und mechanische Haltbarkeit der Vorrichtung zu verbessern. Die Schließgeschwindigkeit der Pole der Vorrichtung wird ge­ steuert oder eingestellt und das Zurückschlagen der Kontakte wird reduziert. Die Erfindung ermöglicht es, die elektrome­ chanischen Parameter des Schalters unabhängig von äußeren Bedingungen einzustellen, insbesondere im Hinblick auf Ände­ rungen der Speisespannung.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung einen analogen Sensor auf, welcher die Position des beweglichen Organs mißt, sowie elektronische Mittel, welche das Signal dieses Positionssensors verarbeiten, um den Spulenstrom zu steuern.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor als Potentiometer-Sensor ausgebildet, bestehend aus einem längs­ gestreckten Fühlerelement und einem beweglichen Läufer, wel­ cher sich auf diesem Element abstützt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das längsge­ streckte Fühlerelement aus einem geraden leitenden Streifen, welcher eine Membran bildet und in Ruhelage von einer Widerstandsbahn beabstandet ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die elektronischen Mittel einen statischen Rufkontakt auf, wel­ cher die Versorgung der Spule steuert, wobei dieser stati­ sche Kontakt durch eine Steuerschaltung gesteuert wird, wel­ che die Signale des analogen Positionssensors empfängt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerschaltung einen Spannungssensor auf, welcher eine Impulsgrößenmodulationsschaltung steuert, welche den sta­ tischen Steuerkontakt der Spulenversorgung periodisch akti­ viert, wobei die Modulationsschaltung das Ausgangssignal eines mit der Spule in Reihe geschalteten Stromsensors sowie einen Einstellwert erhält, der am Ausgang eines dem Positionssensor zugeordneten Generators vorhanden ist.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben, welche in den Zeich­ nungen dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit offenem Gehäuse,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des analogen Positionssen­ sors für die Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Sensor von Fig. 2,

Fig. 4 ein Funktionsschema der Elektronik der Vorrichtung,

Fig. 5 eine Variante des Positionssensors für die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 6 eine Detailansicht von Fig. 5.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltvorrichtung weist ein Gehäuse 11 aus Kunststoff auf, in welchem eine elektromagne­ tisch gesteuerte Leistungsschaltanordnung untergebracht ist. Diese Anordnung weist ein bewegliches Organ auf, welches einen Kontaktträger 15 bildet, welcher die beweglichen Kon­ takte des Leistungsschalters trägt.

Die elektromagnetischen Steuermittel des beweglichen Organs sind in einem an dem Gehäuse 11 angeordneten Gehäuse 18 un­ tergebracht. Sie werden durch einen Elektromagneten gebil­ det, mit einem festen Joch 12, einer Magnetspule 13 und einem beweglichen Anker 14, welcher mit dem Kontaktträger 15 gekuppelt ist. Eine Rückholfeder 17 verleiht dem Anker 14 eine vom Joch entfernte Ruheposition.

Die Position des beweglichen Organs 15 wird durch einen ana­ logen Positionssensor 2 erfaßt.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 2 und 3 ist der Sensor 2 ein geradliniges Membranpotentiometer. Dieses hat den Vor­ teil, dicht zu sein und eine lange Lebensdauer aufzuweisen. Er besteht aus zwei unabhängigen Teilen: einem linearen Fühlerelement 22 und einen Läufer 21. Der Läufer 21 ist mechanisch auf einer Seite des Kontaktträgers 15 befestigt. Das Fühlerelement 22 ist im Inneren des Gehäuses 11 auf der Innenfläche einer seitlichen Abdeckung 16 angeordnet, die am übrigen Gehäuse verankert ist.

Das Fühlerelement 22 besteht aus einem Kunststoffstreifen 221, der eine Widerstandsbahn 223 trägt, die einem flexiblen Leitungsstreifen 222 zugeordnet ist. Die Widerstandsbahn 223 und der Leitungsstreifen 222 sind geradlinig ausgebildet. Der Leitungsstreifen 222 bildet eine Membran und ist der Widerstandsbahn 223 gegenüberliegend und mit Abstand zu die­ ser angeordnet, so daß er in Ruhestellung von dieser Widerstandsbahn beabstandet ist. Der Leitungsstreifen 222 kann dank seiner transversalen Elastizität mit der Wider­ standsbahn 223 unter dem Einfluß einer eingebrachten Punkt­ kraft in Eingriff gelangen. Er dient also als elektrischer Kollektor. Die das Element 22 bildenden Teile sind von der Umgebung durch Isolierschichten getrennt. Die Enden der Widerstandsbahn 223 sind mit Leitungen 231 und 232 verbun­ den, während der Leitungsstreifen 222 mit einer Leitung 24 verbunden ist.

Der Druckläufer 21 weist eine Blattfeder 211 auf, deren Ende mit dem Leitungsstreifen 222 in Eingriff steht. Wenn die Blattfeder 211 eine Druckkraft auf den Leitungsstreifen 222 ausübt, ist dieser lokal mit der Widerstandsbahn 25 elek­ trisch verbunden.

Eine Ausgestaltungsvariante des Sensors 2 ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Dieser Sensor 2 ist in einer Art ausge­ bildet, die einem Zusatzkontaktblock eines Schalters ähnlich ist. Er weist ein druckempfindliches Fühlerelement 25 auf, auf welches ein Kraftübertragungsmittel einwirkt, welches von dem beweglichen Organ 15 verschoben wird. Die Kraft wird auf das Fühlerelement 25 unter Zwischenschaltung eines Kolbens 28 ausgeübt, auf den eine Feder 27 einwirkt. Die Kompression dieser Feder ergibt sich aus der Position eines Schiebers 26, der mechanisch mit dem beweglichen Organ 15 verbunden ist.

Das Fühlerelement 25 ist durch zwei einander gegenüberlie­ gend angeordnete Isolierschichten gebildet. Die Vorderseite einer Schicht weist ein Netz ineinander verschachtelter Leitungsstreifen 251 auf. Auf der gegenüberliegenden Vorder­ seite der anderen Schicht ist ein Halbleiterpolymer aufge­ bracht. Wenn die beiden Vorderseiten aufeinanderliegen, ist das Leitungsnetz durch das Polymer gebrückt. Der Widerstand des Fühlerelements nimmt mit steigender Normalkraft auf die Oberfläche des Elementes ab.

Die Größe der Kraft ist also mit der Vorspannung der Feder 27 und ihrer Steifigkeit verbunden. Der Kraftanstieg, der zur Verschiebung des beweglichen Organs proportional ist, wird durch das druckempfindliche Element 25 in Form einer Widerstandsänderung umgesetzt.

Der Positionssensor 2 gibt ein für die Position des bewegli­ chen Organs 15 repräsentatives Signal ab. Dieses Signal wird durch eine elektronische Schaltung 3 verarbeitet, die als ge­ druckte Schaltung ausgebildet ist. Diese gedruckte Schaltung 3 ist bevorzugt in dem Gehäuse der Vorrichtung unterge­ bracht. Die Steuerklemmen der Spule sind mit A₁ und A₂ be­ zeichnet und über Leitungen 51 und 52 mit der elektronischen Schaltung 3 verbunden.

Die Steuerklemmen A₁ und A₂ sind mit einer Gleichrichter­ schaltung 31 verbunden. Die Spule 13 ist mit den Ausgängen der Gleichrichterschaltung 31 verbunden, und der Spulenstrom wird durch einen statischen Rufkontakt 32 gesteuert, der durch eine Steuerschaltung 4 gesteuert wird, welche die Ausgangssignale des analogen Positionssensors 2 erhält.

Die Steuerschaltung 4 weist einen Spannungssensor 42 auf, welcher über ein aktives Filter 41 mit den Ausgängen der Gleichrichterschaltung 31 verbunden ist. Der Spannungssensor 42 stößt eine Zeitschaltung 43 an, welche eine Impulsgrößen­ modulationsschaltung 45 erregt, die den statischen Rufkon­ takt 32 periodisch aktiviert. Die Modulationsschaltung 45 er­ hält das von einem mit der Spule 13 in Reihe geschalteten Stromsensor 33 gelieferte Ausgangssignal sowie einen Ein­ stellwert, welcher am Ausgang eines Generators 44 vorhanden ist, welcher das Schaltgesetz des Rufstroms definiert, wobei der Generator selbst vom Positionssensor 2 abhängt.

Die Spule 13 kann durch eine Niederspannungsquelle 52 über einen Widerstand 53 und einen Diode 52 versorgt werden.

Ein sogenannter statischer Schnelltrennungskontakt 61 ist in Reihe mit einer Freilaufdiode 62 an die Klemmen der Spule 13 geschaltet. Eine Zenerdiode 63 ist diesem statischen Kontakt 61 parallel geschaltet.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Bei Anlegen einer Spannung an die Vorrichtung läßt der Spannungssensor 42 eine Funktion ab einem Schwellwert zu, welcher einem Bruchteil der Steuerspannung Uc entspricht. Dieser Wert kann beispielsweise eine Größenordnung von 0,75 Uc aufweisen. Das Kippen des Sensors 42 stößt die Zeit­ schaltung 43 an, welche die Impulsgrößenmodulationsschaltung 45 erregt, welche ihrerseits den statischen Rufkontakt 32 periodisch aktiviert. Der Strom in der Spule 13 nimmt folglich einen Mittelwert an, der vom Niveau der Impuls­ größenmodulation abhängt, welches das Ergebnis des Ver­ gleichs zwischen dem vom Stromsensor 33 ausgegebenen Signal und dem am Ausgang des Generators 44 vorhandenen Einstell­ wert ist.

Am Ende der Verzögerungszeit ist der statische Rufkontakt 32 blockiert (offen) und der statische Haltekontakt 46 schließt. Der zum dauerhaften Schließen des Elektromagneten erforderliche Strom wird nun der Spule 13 durch die Nieder­ spannungsquelle 52 geliefert.

Bei fortschreitendem Abfall der Steuerspannung Uc stellt der Spannungssensor 42 das Abfallen des Elektromagneten durch öffnen des statischen Kontaktes 34 sicher mit einem zweiten Schwellwert, dessen Größenordnung beispielsweise 0,5 Uc be­ trägt.

Der dritte statische Kontakt 61 verhindert den Verzögerungs­ effekt der Freilaufdiode 62 im Augenblick des Verschwindens der Speisespannung. Über den Wert der Zenerdiode 63 kann die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes in der Spule 13 einge­ stellt werden.

Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung weitere Vari­ anten und Detailverbesserungen möglich sowie die Anwendung von äquivalenten Mitteln. Ausgehend von der vom Sensor gelie­ ferten analogen Information über die augenblickliche Lage kann der Lauf der Quetschung der Hauptkontakte ermittelt werden, indem diese Information mit einem Signal verglichen wird, welches am Anfang des Stromdurchgangs in diesen Kontakten erzeugt wird.

Claims (9)

1. Elektromagnetische Schaltvorrichtung mit einem bewegli­ chen Organ (15), welches Kontakte aufweist, die mit festen Kontakten zusammenarbeiten, und welches durch einen Elektromagneten (12, 13, 14) verschiebbar ist, wobei die Position des beweglichen Organs durch einen Sensor detektiert wird, um den Spulenstrom zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoger Sensor (2) vorhanden ist, welcher die Position des beweglichen Organs (15) mißt, sowie elektro­ nische Mittel (3), welche das Signal dieses Positionssen­ sors (2, 5) verarbeiten, um den Spulenstrom zu steuern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Sensor (2) als Potentiometersensor ausgebildet ist mit einem längsgestreckten Fühlerelement (22) und einem beweglichen Läufer (21), welcher sich auf dem Ele­ ment (22) abstützt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das längsgestreckte Fühlerelement (22) einen gerad­ linigen Leitungsstreifen (222) aufweist, welcher eine Membran bildet und in seiner Ruhelage von einer Wider­ standsbahn (221) beabstandet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Mittel (3) einen statischen Ruf­ kontakt (32) aufweisen, welcher die Versorgung der Spule (13) steuert, wobei dieser statische Kontakt durch eine Steuerschaltung (4) gesteuert wird, welche die Ausgangs­ signale des analogen Positionssensors (2) erhält.

5. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (4) einen Spannungssensor (42) aufweist, welcher eine Impulsgrößenmodulationsschaltung (45) steuert, die den statischen Steuerkontakt (32) der Spulenversorgung periodisch aktiviert, wobei die Modula­ tionsschaltung (45) das Ausgangssignal eines mit der Spu­ le (13) in Reihe geschalteten Stromsensors (33) und einen am Ausgang eines dem Positionssensor (2) zugeordneten Generators (44) vorhandenen Einstellwert erhält.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (13) in einer anhaltenden Schließphase durch eine Halteversorgung (52) versorgt wird, gesteuert durch einen statischen Haltekontakt (51), wobei dieser statische Kontakt (51) durch ein Zeitglied gesteuert wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (13) eine Schnelltrennschaltung in Form eines statischen Kontaktes (61) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteversorgung vom Unterbrechungstyp ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionssensor (2) durch ein druckempfindliches Sensorelement (25) gebildet wird, auf welches Kraftüber­ tragungsmittel einwirken, die vom beweglichen Organ (15) verschoben werden.