DE4409010B4

DE4409010B4 - Elektromagnetische Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE4409010B4
Application number: DE4409010A
Authority: DE
Inventors: Jacques Olifant; Bruno Palacio
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA; Telemecanique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2014-03-17
Also published as: US5450276A; FR2702880A1; DE4409010A1; FR2702880B1

Abstract

Elektromagnetische Schaltvorrichtung mit einem beweglichen 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 (2) detektiert wird, um den Spulenstrom zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ein analoger Sensor und dass elektronische Mittel (3) vorhanden sind, die einen statischen Rufkontakt (32) aufweisen, welcher die Versorgung der Spule (13) steuert, wobei dieser statische Rufkontakt (32) durch eine Steuerschaltung (4) gesteuert wird, welche die Ausgangssignale des analogen Positionssensors (2) erhält und wobei die Spule (13) eine Schnelltrennschaltung in Form eines statischen Kontaktes (61) aufweist.

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 vorgeschlagen, eine Schaltvorrichtung mit einem Sensor auszurüsten, welcher die Position des beweglichen Organs detektiert, um den Spulenstrom zu steuern.

Aus der US 3,870,931 , die einen elektromagnetischen Servomechanismus betrifft, ist die Verwendung eines analogen Sensors zur Positionsmessung einer beweglichen Spule bekannt. Das Signal dieses Positionssensors wird von elektronischen Mitteln verarbeitet, um den Strom durch die Spule des Servomechanismus zu steuern. Als Positionssensor wird ein Potentiometer verwendet.

In der DE 36 07 726 A1 ist ein Folienpotentiometer beschrieben, bei dem auf einem Substrat eine Widerstandsbahn aufgebracht ist, an deren Anfang oder Ende ein elektrischer Anschluss angebracht ist. Ein über die Widerstandsbahn bewegbarer Kontakt dient zur Einstellung des Widerstandswerts zwischen der Kontaktstelle und einem elektrischen Anschluss. Auf dem Substrat ist zusätzlich eine elektrisch leitende Schicht angebracht, welche eine Membran bildet und in ihrer Ruhelage von der Widerstandsbahn beabstandet ist. Durch eine über die Widerstandsbahn verschiebbare Nase kann sie auf dieselbe gepresst werden.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, den Spulenstrom über die gesamte Verschiebungsstrecke des beweglichen Organs der Schaltvorrichtung zu steuern. Sie erlaubt, die Schließkraft sowie die elektrische und mechanische Haltbarkeit der Vorrichtung zu verbessern. Die Schließgeschwindigkeit der Pole der Vorrichtung wird gesteuert oder eingestellt und das Zurückschlagen der Kontakte wird reduziert. Die Erfindung ermöglicht es, die elektromechanischen Parameter des Schalters unabhängig von äußeren Bedingungen einzustellen, insbesondere im Hinblick auf Änderungen 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.

Die elektronischen Mittel weisen einen statischen Aufkontakt auf, welcher die Versorgung der Spule steuert, wobei dieser statische Kontakt durch eine Steuerschaltung gesteuert wird, welche die Signale des analogen Positionssensors empfängt.

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

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

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerschaltung einen Spannungssensor auf, welcher eine Impulsgrößenmodulationsschaltung steuert, welche den statischen Steuerkontakt der Spulenversorgung periodisch aktiviert, 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 Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
1 ein Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit offenem Gehäuse,
2 ein Ausführungsbeispiel des analogen Positionssensors für die Vorrichtung von 1,
3 einen Längsschnitt durch den Sensor von 2,
4 ein Funktionsschema der Elektronik der Vorrichtung,
5 eine Variante des Positionssensors für die erfindungsgemäße Vorrichtung und
6 eine Detailansicht von 5.
Die in 1 dargestellte Schaltvorrichtung weist ein Gehäuse 11 aus Kunststoff auf, in welchem eine elektromagnetisch gesteuerte Leistungsschaltanordnung untergebracht ist. Diese Anordnung weist ein bewegliches Organ auf, welches einen Kontaktträger 15 bildet, welcher die beweglichen Kontakte des Leistungsschalters trägt.
Die elektromagnetischen Steuermittel des beweglichen Organs sind in einem an dem Gehäuse 11 angeordneten Gehäuse 18 untergebracht. Sie werden durch einen Elektromagneten gebildet, 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 analogen Positionssensor 2 erfaßt.
Bei der Ausgestaltung der 2 und 3 ist der Sensor 2 ein geradliniges Membranpotentiometer. Dieses hat den Vorteil, 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 dieser angeordnet, so daß er in Ruhestellung von dieser Widerstandsbahn beabstandet ist. Der Leitungsstreifen 222 kann dank seiner transversalen Elastizität mit der Widerstandsbahn 223 unter dem Einfluß einer eingebrachten Punktkraft 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 verbunden, 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 223 elektrisch verbunden.
Eine Ausgestaltungsvariante des Sensors 2 ist in den 5 und 6 dargestellt. Dieser Sensor 2 ist in einer Art ausgebildet, 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 gegenüberliegend angeordnete Isolierschichten gebildet. Die Vorderseite einer Schicht weist ein Netz ineinander verschachtelter Leitungsstreifen 251 auf. Auf der gegenüberliegenden Vorderseite der anderen Schicht ist ein Halbleiterpolymer aufgebracht. 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 beweglichen Organs 15 repräsentatives Signal ab. Dieses Signal wird durch eine elektronische Schaltung 3 verarbeitet, die als gedruckte Schaltung ausgebildet ist. Diese gedruckte Schaltung 3 ist bevorzugt in dem Gehäuse der Vorrichtung untergebracht. Die Steuerklemmen der Spule sind mit A₁ und A₂ bezeichnet und über Leitungen 51 und 52 mit der elektronischen Schaltung 3 verbunden.
Die Steuerklemmen A₁ und A₂ sind mit einer Gleichrichterschaltung 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 einem aktiven Filter 41 mit den Ausgängen der Gleichrichterschaltung 31 verbunden ist. Der Spannungssensor 42 stößt eine Zeitschaltung 43 an, welche eine Impulsgrößenmodulationsschaltung 45 erregt, die den statischen Rufkontakt 32 periodisch aktiviert. Die Modulationsschaltung 45 erhält das von einem mit der Spule 13 in Reihe geschalteten Stromsensor 33 gelieferte Ausgangssignal sowie einen Einstellwert, 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 eine Diode 54 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 Zeitschaltung 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 Impulsgrößenmodulation abhängt, welches das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem vom Stromsensor 33 ausgegebenen Signal und dem am Ausgang des Generators 44 vorhandenen Einstellwert ist.
Am Ende der Verzögerungszeit ist der statische Rufkontakt 32 blockiert (offen) und der statische Haltekontakt 51 schließt. Der zum dauerhaften Schließen des Elektromagneten erforderliche Strom wird nun der Spule 13 durch die Niederspannungsquelle 52 geliefert.
Bei fortschreitendem Abfall der Steuerspannung Uc stellt der Spannungssensor 42 das Abfallen des Elektromagneten durch Öffnen des statischen Kontaktes 32 sicher mit einem zweiten Schwellwert, dessen Größenordnung beispielsweise 0,5 Uc beträgt.
Der dritte statische Kontakt 61 verhindert den Verzögerungseffekt der Freilaufdiode 62 im Augenblick des Verschwindens der Speisespannung. Über den Wert der Zenerdiode 63 kann die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes in der Spule 13 eingestellt werden.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung weitere Varianten 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

Elektromagnetische Schaltvorrichtung mit einem beweglichen 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 (2) detektiert wird, um den Spulenstrom zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ein analoger Sensor und dass elektronische Mittel (3) vorhanden sind, die einen statischen Rufkontakt (32) aufweisen, welcher die Versorgung der Spule (13) steuert, wobei dieser statische Rufkontakt (32) durch eine Steuerschaltung (4) gesteuert wird, welche die Ausgangssignale des analogen Positionssensors (2) erhält und wobei die Spule (13) eine Schnelltrennschaltung in Form eines statischen Kontaktes (61) aufweist.
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 Fühlerelement (22) abstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das längsgestreckte Fühlerelement (22) einen geradlinigen Lei tungsstreifen (222) aufweist, welcher eine Membran bildet und in seiner Ruhelage von einer Widerstandsbahn (221) beabstandet ist.
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 Modulationsschaltung (45) das Ausgangssignal eines mit der Spule (13) in Reihe geschalteten Stromsensors (33) und einen am Ausgang eines dem Positionssensor (2) zugeordneten Generators (44) vorhandenen Einstellwert erhält.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (13) in einer anhaltenden Schließphase durch eine Haltevorrichtung (52) versorgt wird, gesteuert durch einen statischen Haltekontakt (51), wobei dieser statische Kontakt (51) durch ein Zeitglied gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung vom Unterbrechungstyp ist.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor (2) durch ein druckempfindliches Sensorelement (25) gebildet wird, auf welches Kraftübertragungsmittel einwirken, die vom beweglichen Organ (15) verschoben werden.