DE552372C - Frequenzrelais, insbesondere zum Steuern von Schaltern o. dgl., mit wenigstens zwei auf raeumlich getrennte Teile eines beweglichen Leitergebildes einwirkenden Magnetpolen, von denen wenigstens der eine ein Pol eines Wechselstrom-Elektromagnets ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Frequenzrelais, insbesondere zur Steuerung von Schaltern o. dgl., das aber auch an Stelle der bekannten Ferrarismotoren für den Antrieb von Meßgeraten, Zeitwerken usw. verwendet werden kann. In diesem Relais sind wenigstens zwei auf räumlich getrennte Teile eines beweglichen Leitergebildes einwirkende Pole vorhanden, von denen wenigstens der eine ein Pol eines Wechselstrom-EIektromagnets ist. Von diesen Polen ist erfindungsgemäß wenigstens einer der übrigen Pole ein in der Frequenz des Wechselfeldes des ersten Poles räumlich gegenüber dem Leitergebilde schwingender Pol. Vorteilhaft schwingt dieser mit solcher Phase, daß der Maximalwert der Schwingungsgeschwindigkeit des mechanisch schwingenden Poles wenigstens annähernd mit einem Maximalwert des Wechselfeldes eines Poles zeitlich zusammenfällt. Der schwingende Pol kann entweder durch ein entsprechend abgestimmtes, mechanisches Schwingungssystem oder durch einen Synchronkleinmotor o. dgl. angetrieben werden.

«5 Das mechanische Schwingungssystem kann im Takte des Wechselfeldes durch einen Wechselstrom - Elektromagnet angetrieben werden, wenn es sich um elektrische Meß- ' geräte, Relais ο. dgl. handelt, es kann aber auch mechanisch angetrieben werden, wenn es sich z. B. um Messung von Erschütterungen, Schall o. dgl. handelt.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung erläutert werden.

In der Ausführungsform der Abb. 1 bildet das freie, schwingende Ende der Zunge 10 den Nordpol 13 des Dauermagnets 11 mit dem Luftspalt 12 zwischen dem Nordpol 13 und dem Südpol 14. Die Zunge 10 wird von dem durch die Wicklung 15 erregten, hufeisenförmigen Elektromagnet 16 zu Schwingungen angeregt, wenn der die Wicklung 15 durchfließende Erregerstrom die richtige Frequenz hat. Bei Resonanz ist nach bekannten Gesetzen die mechanische Zungenschwingung gegen die Schwingungen des erregenden Feldes um 90 ° verschoben. Diese Verhältnisse sind in Abb. 2 in Abhängigkeit von der Zeit als Abszisse dargestellt.

Die Kurve -©" stellt den Wechselfluß, die Kurve j den Schwingungsweg der Zunge dar. In dem Luftspalt 12 des Dauermagnets 11 ist

*) Von dem Patentsiicher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Wilhelm Gebhardt in Nürnberg.

der eine Teil, in dem Luftspalt 17 des Wechselstrommagnets 16 der andere Teil eines Leiterringes~i8 angeordnet, der parallel verschiebbar zur Zeichenebene gelagert ist und S beispielsweise einen Ausschnitt eines scheibenförmigen Leitergebildes mit einer z. B. parallel zur rechten Kante 'des Permanentmagnets 11 (Abb. 1) vor der Zeichenebene angeordneten Drehachse darstellen möge. Für den Zeitpunkt t_x sind die dynamischen und induktiven Verhältnisse in Abb. 3, für den Zeitpunkt t₂ in Abb. 4 dargestellt.

In Abb. 3 haben die Pole des Wechselstrommagnets 16 die durch die Buchstaben s, η •5 angedeutete Polarität, das Federende 13 die durch den Pfeil ν angedeutete Bewegungsrichtung. In dem benachbarten Teil des Ringes 18 wird deshalb eine mit χ angedeutete, von vorn in die Zeichenebene gerichtete Spannung induziert, für den Teil zwischen den Polen s, η fließt der durch einen Punkt angedeutete Strom auf den Beschauer zu. Dieser Leiterteil erfährt in dem Felde s, η einen Antrieb in Richtung des Pfeiles P.

«5 In Abb. 4 ist die Polarität der Wechselpole n, s und die Richtung der Geschwindigkeit ν umgekehrt, auch die Stromrichtung im Leiter 18. Da aber sowohl die Polarität der Wechselpole als auch die Stromrichtung im Wechselfeld umgekehrt ist, ergibt sich wieder für die Kraft P die gleiche Richtung.

Der zeitliche Verlauf der Kraft/·³ ist in Abb. 2 aufgetragen. Für die Antriebskraft ergibt sich somit ein von Null verschiedener zeitlicher Mittelwert. Es sind noch andere Antriebskräfte vorhanden, p_v p₂, deren zeitlicher Mittelwert aber Null ist. Die Kraft p_t entsteht durch die Schleppkraft des schwingenden Gleichpoles 13, die Kraft p₂ durch die von dem Wechselfluß im Ring 18 induzierten, das Feld des Gleichstrommagnets durchsetzenden Ströme.

Soll die Antriebskraft des Motors erhöht werden, so kann man, wie dies Abb. 5 andeutet, die Zahl der schwingenden und feststehenden Pole vergrößern und statt eines Ringes mehrere Ringe oder eine zusammenhängende Scheibe verwenden. Bei schnell schwingenden Polen, z. B. bei Frequenz 500, empfiehlt es sich, zwecks Verringerung der Wirbelstromverluste und der Dämpfung für die Polschwingung das Leitermaterial in einzelne Ringe kleinen Querschnitts aufzulösen und die Ringe so zu bemessen und zu verlegen, daß sie den Pol des einen Feldes durchsetzen und sich erst durch das Feld des anderen Poles schließen.

Während in Abb. 1 der Gleichpol schwingt und der Wechselpol stillsteht, liegen in dem Schema der Abb. 6 die Verhältnisse umgekehrt. Hier schließt sich der Leiterring 18 durch das Maul des Dauermagnets 19 und durch den von dem einen Ende 21 der Stimmgabel 20 und dem Gegenpol 23 des Wechselstrommagnets 24 eingeschlossenen Luftspalt 25. Der andere Zinken 22 der Stimmgabel ist durch den Dauermagnet 26 polarisiert und wird durch den Polvorsprung 27 des Weehselstrommagnets zu Schwingungen angeregt. Der Zinken 21 ist im Ausführungsbeispiel bei der eingezeichneten Bewegungsrichtung ν Nordpol, bei der umgekehrten Bewegungsrichtung dagegen Südpol. Es ergibt sich somit für den Ring 18 stets die gleiche Stromrichtung und die gleiche Richtung der Antriebskraft P.

In Abb. 7 sind sowohl die feststehenden Pole 28 wie der schwingende, 29, Wechselpole. Die Zunge 33 ist hier also nicht polarisiert. Sie schwingt infolgedessen mit der doppelten Frequenz des die Erregerspule 34 durchfließenden Wechselstromes. Auf der der Zunge 29 entgegengesetzten Seite der feststehenden Pole 28 ist noch eine weitere, anders abgestimmte Zunge 35 angeordnet, die bei anderer Frequenz schwingt und den Leiter 18 in entgegengesetzter Richtung treibt. Mit diesem Leiter kann beispielsweise ein Schalter verbunden werden, der beim Senden der Frequenz der Zunge 33 geschlossen, beim Senden der Frequenz der Zunge 35 geöffnet wird.

In Abb. 8 sind zur Erläuterung in Abhängigkeit von der Zeit als Abszisse der Wechselfluß -β" und der Schwingungsweg j aufgetragen. Für die Induktionswirkung ist hier ausschlaggebend, daß der Hinweg der Zunge zum Elektromagnet mit dem Scheitelwert des Wechselfeldes, der Rückweg mit dem Nullwert zusammenfällt, falls Resonanz vorhanden ist. · Für die Induktionswirkung können deshalb die Rückwege der Zunge praktisch vernachlässigt werden. Beim Hinweg ist die Zunge abwechselnd Nordpol und Südpol, aber auch die Feldrichtung zwischen den feststehenden Polen 28 ist bei dem einen Hingang umgekehrt wie beim vorhergehenden Hingang. Es ergibt sich also trotz der wechselnden Polarität der Zunge eine resultierende Antriebskraft, die von der Zunge nach dem feststehenden Pol zu gerichtet ist. Durch die no Kurve E sind die durch die schwingende Zunge im Leiter 18 induzierten EMKe, durch die Kurve P die durch Zusammenwirken der induzierten Ströme mit dem stehenden Wechselfeld erzeugten Kräfte dargestellt. Die Kurve zeigt, daß sich für die Kräfte ein von Null verschiedener zeitlicher Mittelwert ergibt.

Eine ähnliche Ausführungsform, aber mit polarisierten Zungen, zeigt die Abb. 9. iao

In Abb. 10 ist eine mehr konstruktiv durchgebildete Ausführungsform dargestellt. Hier

hat der Elektromagnet 36 zwei Luftspalte 37, 38. In dem Luftspalt 37 schwingt die von dem Dauermagnet 39 polarisierte Zunge 40, in dem Luftspalt 38 und zwischen dem Zungenende und dem benachbarten Wechselstrommagnetteil ist der bewegliche Leiter 41 angeordnet.

Motoren der beschriebenen Art lassen sich auch verwenden als Wechselstromampere-Stundenzähler, wenn man beispielsweise einen Gleichpol durch einen von dem Wechselstrom gespeisten Kleinsynchronmotor in Schwingung versetzt und auf eine Scheibe einwirken läßt, die das Maul eines von demselben Strom erregten Elektromagnets durchsetzt, oder man kann auf die Scheibe einen von einem Synchronkleinmotor in Schwingungen versetzten Wechselpol einwirken und die Scheibe mit den benachbarten Teilen durch die Mäuler von Dauermagneten laufen lassen.

Es ist nicht notwendig, daß das Feld des Wechselpoles periodisch seine Richtung ändert, es genügt, wenn es seine Stärke ändert. In solchen Fällen läßt sich der Fluß immer in eine gleichbleibende und in eine Wechselkomponente zerlegen, von denen in den meisten Fällen nur die eine Komponente zur Krafterzeugung beiträgt. Ein solcher nur der Stärke nach schwankender Fluß läßt sich beispielsweise dadurch erzielen, daß man nur den magnetischen Widerstand im Flußweg periodisch ändert, oder dadurch, daß man den Abstand zwischen Leiter und Pol ändert. So kann man beispielsweise einen Dauermagnetpol nahe am Leiter vorbei in der einen und in größerem Abstand vom Leiter in der anderen Richtung periodisch hin und her bewegen.

In den Ausführungsbeispielen ist stets ein feststehender und ein schwingender Fluß vorhanden. Es ist aber nicht erforderlich, daß einer der beiden Flüsse stillsteht, sondern er kann ebenfalls schwingen. Dies ergibt sich ohne weiteres aus der Zusammenfassung der Abb. ι und 6. Läßt man beispielsweise in Abb. 6 den Dauermagnet 19 schwingen, so werden dadurch im Leiter iS Ströme induziert, die im Zusammenwirken mit dem allerdings bewegten Wechselfluß im Luftspalt 25 in derselben Weise eine resultierende, von Null verschiedene Antriebskraft ergeben, wie dies bei Abb. 1 der Fall ist, oder läßt man umgekehrt in Abb. 1 den Wechselfluß im Luftspalt 17 schwingen, so ergeben die dadurch im Leiter 18 induzierten Ströme durch ihr Zusammenwirken mit dem Feld im Luftspalt 12 des Dauermagnets eine resultierende Kraft.

Entsprechendes gilt für Abb. 7. Läßt man hier beispielsweise außer der Feder 29 noch die feststehenden Pole 28 schwingen, so ergeben die dadurch induzierten Ströme im Zusammenwirken mit dem Feld im Luftspalt bei der Zunge 29 ebenfalls wieder eine resultierende Kraft.

Ein derartiges Relais zeigt die Abb. 11. Hier steht dem feststehenden Elektromagnet 42 ein schwingender Rückschluß 43 gegenüber. Der Rückschlußteil ist an der nicht polarisierten Zunge 44 befestigt, die von dem Teil 45 des Elektromagnets 42 zu Schwingungen angeregt wird. Der Teil 43 schwingt deshalb mit der doppelten Frequenz des Erregerstromes.

Wird das Relais in bekannter Weise an Leitungen angeschlossen, die auch Ströme anderer Frequenz führen, so wird zweckmäßig der Stromkreis der Wicklung durch Vorschalten eines Kondensators auf den Bereich der Relaisfrequenz abgestimmt. Das Relais nimmt dann Ströme anderer Frequenz nur in sehr geringem Grade auf.

Die Zunge wird durch Vorbeischwingen an dem induzierten Leiter gedämpft. Der Leiter erhält zweckmäßig einen so geringen Widerstand, daß infolge der Zungendämpfung das Relais möglichst viel Steuerenergie aus der Anschlußleitung aufnimmt. Die richtige Phasenverschiebung zwischen Zunge und dem auf den induzierten Leiter einwirkenden Wechselfeld, die durch die Dämpfung teilweise verlorengeht, kann durch Phasenverschiebung der auf die Zunge gegen das auf den Leiter einwirkende Wechselfeld mit bekannten Mitteln, z. B. Kupferbrillen, wiederhergestellt werden. Die durch Dämpfung verlorengehende Resonanzschärfe der Zunge wird durch die Resonanzschärfe der Phasenverschiebung zwischen Federschwingung und Wechselfeld ersetzt.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Frequenzrelais, insbesondere zum Steuern von Schaltern 0. dgl., mit wenigstens zwei auf räumlich getrennte Teile eines beweglichen Leitergebildes einwirkenden Magnetpolen, von denen wenigstens der eine ein Pol eines Wechselstrom-Elektromagnets ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der übrigen Pole ein in der Frequenz des Wechselfeldes des ersten Poles räumlich gegenüber dem beweglichen Leitergebilde schwingender Pol ist.

2. Frequenzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert der Schwingungsgeschwindigkeit des mechanisch schwingenden Poles wenigstens annähernd mit einem Maximalwert des Wechselfeldes eines Poles zeitlich zusammenfällt.

3. Frequenzrelais nach Anspruch i, da-

durch gekennzeichnet, daß der schwingende Pol durch ein vom Wechselfeld angetriebenes mechanisches Schwingungssystem, insbesondere durch eine abgestimmte Zunge, angetrieben wird.

4. Frequenzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwingende Pol durch einen mit Wechselstrom betriebenen Kleinsynchronmotor angetrieben wird.

5. Frequenzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil eines Leiters in einem Luftspalt eines Wechselstrom-Elektromagnets, der andere Teil des Leiters in einem Luftspalt eines Gleichstrommagnets bzw. Dauermagnets, von dem wenigstens ein dem Luftspalt zunächst liegender Pol schwingt, angeordnet ist.

6. Frequenzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leiterteil in dem Luftspalt eines Gleichstrom-Elektromagnets bzw. eines Dauermagnets angeordnet ist, der andere Teil in dem Luftspalt eines Wechselstrom-Elektromagnets, von dem wenigstens ein dem Luftspalt benachbarter Pol mit der Frequenz des Wechselstromes schwingt.

7. Frequenzrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teil des Leiters in einem Luftspalt eines Wechselstrom-Elektromagnets, der andere ebenfalls in dem Luftspalt dieses oder eines anderen Wechselstrom-Elektromagnets angeordnet ist, und daß wenigstens ein dem Luftspalt benachbarter Pol mit der doppelten Frequenz des erregenden Wechselstromes schwingt.

8. Frequenzrelais mit einem mit der Frequenz sich ändernden Bewegungssinn nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei von einem Elektromagnet angetriebene, verschieden abgestimmte, mechanische Magnetpole antreibende Schwingungssysteme vorhanden sind, deren schwingende Pole entweder auf verschiedenen Seiten eines feststehenden Poles angeordnet sind oder auf der gleichen Seite eines solchen Poles, aber verschiedene Polarität haben.

9. Frequenzrelais nach Anspruch 1 bis 8, insbesondere für Wechselströme mit höherer Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Wirbelstromverluste und der Dämpfung für den schwingenden Pol das Leitergebilde in einzelne Ringe aufgelöst ist, die das Feld des einen Poles durchsetzen und sich im Felde des anderen Poles schließen.

10. Die Verwendung des Frequenz- <5o relais nach Anspruch 1 für einen Wechselstromamperestundenzähler, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein drehbar gelagertes Leitergebilde an räumlich getrennte Stellen entweder ein von einem Synchronkleinmotor in Schwingungen versetzter Gleichpol und ein von dem zu messenden Wechselstrom erregter Wechselpol oder ein von einem Synchronkleinmotor in Schwingungen versetzter Wechselpol und ein Gleichpol, insbesondere ein Dauermagnet, einwirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen