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Transformator mit überstromschutzeinrichtung, insbesöndere für Spielzeugzwecke
Die Erfindung hat einen Transformator mit Überstromschutzeinrichtung, insbesondere
für Spielzeugzwecke, zum Gegenstand.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Schenkel des Transformators
das Magnetgestell für den beweglich gelagerten Anker der Überstromschutzeinrichtung
bilden. Der Anker wird entweder an einer Stelle der Schenkel angeordnet, wo der
magnetische Flußübergang mit dem Sekundärstrom wächst oder an einer Stelle, wo der
Flußübergang mit .wachsendem Sekundärstrom sinkt. Beim Ansprechen der Ü berstromschutzeinrichtung
wird der Anker automatisch betätigt, entweder im Sinne einer Anziehung oder eines
Abfallens, ähnlich wie bei einem Überstromauslöser oder Nullspannungsmagneten. Der
Anker steuert dabei in bekannter Weise den Unterbrechungsschalter für einen der
beiden Tranformatorenkreise.
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Nach dem Ansprechen der Überstromschutzeinrichtung muß der Anker oder
der mit ihm verbundene Schalter zum Wiedereinschalten des geöffneten Kreises in
seine Ausgangsstellung zurückgeführt werden. Diese Rückführung erfolgt mittels einer
vorgesehenen Steuervorrichtung, welche die Wände des den Apparat umgebenden Gehäuses
durchsetzt. Sie kann nur erfolgen, nachdem eine Unterbrechung eines der Transformatorenkreise
stattgefunden hat, z. B. also bei geöffnetem Sekundärkreise. Im Augenblick des Einschaltens
des durch die Überstromschutzeinrichtung geöffneten Schalters bei der Rückführung
des Ankers bzw. des mit ihm verbundenen Schalters kann daher wegen der Unterbrechungsstelle
eine Leistungsabgabe im Sekundärkreis, wo der KurzschIuß aufgetreten war, noch nicht
stattfinden. Damit die Überstromschutzeinrichtung aber beim Einschalten des geöffneten
Kreises wieder wirken kann, darf zu diesem Zeitpunkt keine kraftschlüssige Verbindung
mehr zwischen der Rückführungseinrichtung für den Anker und diesem selbst bzw. dem
mit ihm verbundenen Schalthebel bestehen, da der Anker sonst in der Schutzeinrichtung
nicht ansprechen könnte. Es wird für einen einfachen Aufbau des Apparates in diesem
Sinne die Bewegung der Rückführungseinrichtung bzw. diese selbst zur Betätigung.
eines Schalters benutzt. Dieser unterbricht während der Rückführung des Ankers in
seine Betriebsstellung den Transformatorenkreis und schließt ihn wieder, sobald
die Rückführungsvorrichtung sich ebenfalls wieder in ihrer Ausgangslage befindet
bzw. in diese zurückgekehrt ist und die mechanische Verbindung zwischen dem in der
Betriebsstellung verbleibenden Anker und jener Vorrichtung gelöst worden ist.
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Bei regelbaren Transformatoren wird das Apparatgehäuse außerdem von
der zur Regelung der Spannung dienenden Vorrichtung durchsetzt. Für einen solchen
Apparat läßt sich in Verbindung mit der Erfindung eine weitere Vereinfachung des
Aufbaus und der notwendigen Handgriffe dadurch erreichen, daß man diese Vorrichtung
gleichzeitig auch zur Rückführung des Ankers zwecks Wiedereinschaltung sowie zum
Öffnen eines Transformatorenkreises benutzt.
Die Ausführung des
Ankers kann in mannigfacher Form gewählt werden. Die einfachste Einrichtung würde
ein einarmiger Hebel mit Federsteuerung in einer Richtung darstellen. Sehr brauchbar
-ist auch ein zwischen den Schenkeln angeordneter beweglich gelagerter Anker. Dieser
kann an einem besonderen Träger angeordnet sein. Es erfolgt die bewegliche Lagerung
entweder mit labilem Gleichgewicht, oder der Anker oder sein Träger wird mit indifferentem
Gleichgewicht, d. h. in seiner Schwerachse, gelagert. Im letzteren Falle wird an
dem drehbaren System entweder ein sich selbst verstellendes Laufgewicht angebracht
oder ein zusätzliches Gewicht an einem mit dem Anker oder dessen Träger verbundenen
Hebelarm. Beide Einrichtungen bewirken, daß der Anker in der Stellung, in welche
ihn das Ansprechen der Überstromschutzeinrichtung oder die Rückführung brachte,
verbleibt, bis auf ihn die eine oder andere Einrichtung erneut einwirkt.
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Wählt man die Anordnung derart, daß der bewegliche Anker vom Primärfluß
gesteuert wird, so hat er nach dem Öffnen des Primärkreises wieder das Bestreben,
.in seine ursprüngliche Lage zurückzukehren und den Primärkreis zu schließen. Es
würde sich also ein Pendeln des Schaltorgans einstellen. Um dies auszuschließen,
wird das Schaltorgan oder der Anker nach seinem Ansprechen verriegelt. Diese Verriegelung
muß zwecks Wiedereinschaltung durch die bereits erwähnte Vorrichtung zur Rückführung
des Ankers aufgehoben oder zur Ausschließung einer direkten Betätigung durch eine
Kipp- oder andere Bewegung des Apparates indirekt wieder gelöst werden.
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Für die Festhaltung des Ankers in seiner Lage nach seinem Ansprechen
ergibt sich als brauchbare Ausführung ein doppelarmiger Hebel, der mit dem eigentlichen
Ankerkörper verbunden ist oder diesen selbst bildet, an dem die Gewichtsverteilung
auf die beiden Hebelarme nach dem Ansprechen des Ankers auf Überstrom durch ein
Laufgewicht aus festem oder flüssigem Werkstoff selbsttätig geändert werden kann.
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Die Abbildungen zeigen den Erfindungsgedanken in einigen beispielsweisen
Ausführungsformen schematisch.
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Abb. i zeigt den Verlauf der Kraftlinien in einem eisengeschlossenen
Transformator bei geöffnetem Sekundärkreise. Die von der Primären erzeugten Kraftlinien
gehen - von einer ganz geringen und hier nicht zu berücksichtigenden Streuung abgesehen
- sämtlich durch die Sekundäre, so daß auch rechts von dieser ein kräftiger Fluß
herrscht.
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Abb. 2 zeigt den Kraftlinienverkehr in demselben Transformatorenkern
bei sekundärseitigem Kurzschluß. Ein erheblicher Teil der Kraftlinien schließt sich
zwischen der Primären und der Sekundären, so daß zwischen beiden Spulen ein kräftiger
Streufluß vorhanden ist, rechts von der Sekundären dagegen nur ein schwacher Fluß.
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Es sei erwähnt, daß die eingezeichnete Anzahl der Kraftlinien durchaus
nicht die wirklichen Werte der Flüsse versinnbildlichen soll, sondern nur die Verschiebung
der Flüsse rechts und links von der Sekundären.
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Bei Normalstrom ist der Fluß zwischen beiden. Spulen stärker als gemäß
Abb. i, aber schwächer als gemäß Abb. 2. Rechts von der Sekundären ist er in demselben
Falle schwächer als gemäß Abb. i, stärker als gemäß Abb. 2.
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Die Abb: 3 und q. zeigen denselben Transformator in der Draufsicht.
Der durch die Sekundäre fließende Normalstrom hat zwischen den beiden Spulen ein
Feld zur Folge, dessen Stärke aber noch nicht genügt, um den Anker und Kontakt b
unter Überwindung der Kraft der Feder d anzuziehen und so den Primärkreis zwischen
b und c zu unterbrechen.
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Gemäß Abb. q. bewirkt ein sekundärseitiger Kurzschluß ein starkes
Anwachsen des Streuflusses zwischen den beiden Spulen, so daß der Anker
b an den Kern a unter Überwindung der entgegenstehenden Federkraft
d angezogen und der Primärkreis unterbrochen wird.
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Es sei erwähnt, daß der Einfachheit halber Kontakt und Anker b als
ein Stück gezeichnet sind, ohne daß hierbei - wie auch in den folgenden Abbildungen
- auf den Körperschluß die in der Praxis selbstverständliche Rücksicht genommen
worden ist. Statt des Primärkreises kann natürlich - auch im folgenden - der Sekundärkreis
durch die Einrichtungen nach der Erfindung unterbrochen werden.
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Während gemäß den Abb. 3 und q. gezeigt wurde, wie das Anwachsen des
Magnetismus an einem Tiansformatorenteil zur Betätigung eines mit Kontakt versehenen
Ankers verwendet wird, wird gemäß Abb. 5 das Nachlassen des Magnetismus an einem
anderen Transformatorenteil bei sekundärseitigem Kurzschluß oder Überstrom zum Ausschalten
eines der Stromkreise benutzt. Der hufeisenförmige Transformatorenkern a trägt an
den Polen den drehbar gelagerten und gleichzeitig als Kontakt ausgebildeten Anker
b. Bei Normalstrom haftet b fest an den Polen des Kernes. Bei sekundärseitigem
Kurzschluß hingegen läßt der Magnetismus an den Polen so stark nach, daß der Anker
b unter dem Einflusse des mit ihm aus einem Stück bestehenden, nach rechts herausgebauten
Gegengewichtes von den Polen abfällt und sich hierbei gleichzeitig von dem Kontakt
c löst, wodurch der Primärstromkreis unterbrochen wird. Ein Pendeln des Ankers und
damit Funken zwischen b und c sind bei dieser Ausführung ausgeschlossen, da der
Anker b keine Veranlassung hat; sich, nachdem er einmal nach rechts
umgeklappt
ist und damit den Primärkreis unterbrochen hat, wieder an die Pole anzulegen. Dies
muß vielmehr von Hand geschehen, und zwar, damit der Anker nicht wieder von neuem
abfällt, nach Beseitigung des sekundärseitigen Kurzschlusses. Der Doppelpfeil unter
der Sekundären in Abb. 5 deutet an, daß diese auf dem oberen Schenkel zwecks Spannungsregelung
verschiebbar angeordnet ist. Um eine fahrlässige oder böswillige Blockierung der
Vorrichtung zu verhindern, wird b zwecks Wiedereinschaltung nicht einfach von außen
hochgedreht und gegen c gedrückt, sondern durch einen Knopf o. dgl. in nicht dargestellter
Meise hochgeschnellt, so daß b den letzten Teil des Weges zur Wiedereinschaltung
nur unter der Einwirkung der lebendigen Kraft zurücklegt. Ist der sekundärseitige
Kurzschluß noch vorhanden, fällt b sofort wieder ab. Bei dieser Schnellvorrichtung
besteht die kraftschlüssige Verbindung höchstens nur zwischen der Ruhestellung des
schnellenden Organs und der Stellung des geschnellten Organs, in welcher eben die
Unterbrechung des elektrischen Kreises stattgefunden hat. Im Sinne der Patentansprüche
ist unter Freiauslösung auch eine Vorrichtung der soeben beschriebenen Art zu verstehen.
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Abb.6 zeigt eine Kombination der Anordnungen gemäß Abb. 3 bzw. q.
und Abb. 5, indem zwei um eine gemeinsame Achse L schwingbar gelagerte Anker b und
e eine solche Stellung zum Transformatorenkern einnehmen, daß e bei Normalstrom
kräftig angezogen und b gelüftet wird, während bei Überstrom e gelüftet und b angezogen
wird, wodurch gleichzeitig der Primärstromkreis geöffnet wird.
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Da der Transformator nach der Erfindung besonders als Spielzeugtransformator
gedacht ist und daher mit der Unerfahrenheit des Kindes gerechnet werden muß, wird
gemäß Abb. 7 eine Verbesserung angebracht, die es dem Spielenden - auch bei Böswilligkeit
- unmöglich macht, die automatische Ausschaltvorrichtung zu blockieren, was im Kurzschlußfalle
zum schnellen Verschmoren der Spulen und dadurch evtl. zum Körperschluß mit der
Primärwicklung führen könnte. In der Nähe der Pole ist zwischen den beiden Schenkeln
des offenen Kernes a der Doppel-T-Anker b drehbar gelagert. Ein seitlich
herausragendes Gewicht f, das fest auf derAnkerwelle sitzt, stellt mit der Schraube
c Kontakt her. Die Sekundärspule ist zwecks Regelung der Sekundärspannung durch
Änderung der Durchflutung auf dem oberen Schenkel verschiebbar gelagert. An ihrem
linken Flansch ist ein Gleitstück aus Messing g befestigt, in das das eine Drahtende
der Sekundärspule führt. g gleitet an der Gleitschiene h, die am unteren
Schenkel isoliert befestigt ist, entlang. Die Abbildung zeigt die Vorrichtung bei
Leerlauf oder Normalstrom. Der Magnetismus zwischen den Polen des Kernes a ist so
stark, daß der Doppel-T-Anker b sich in die Verbindungslinie zwischen den beiden
Polen eingestellt hat und unter Überwindung des Gewichtes f dieses gegen c drückt
und so die Aufrechterhaltung des Kontaktes zwischen c und f und damit des Stromes
im Primärkreis bewirkt. Wird die Sekundäre nach rechts geschoben, so sinkt zunächst
der Sekundärstrom infolge Verringerung der Durchflutung. Bei noch weiterem Verschieben
der Sekundären nach rechts löst sich g von der Schiene h, wodurch der Sekundärkreis
unterbrochen wird, ohne daß der Anker b und damit das Gewicht und der Kontakt
f
ihre Stellung ändern. Im Kurzschlußfalle oder auch schon bei genügend starkem
Überstrom im Sekundärkreis, der natürlich nur eintreten kann, solange g und h sich
berühren, sinkt der Magnetismus rechts von der Sekundären stark. Er vermag den unter
dem Einfluß des einseitig wirkenden Gewichtes f stehenden Doppel-T-Anker nicht mehr
in der Lage gemäß Abb. 7 zu halten. Das Gewicht f sinkt, wodurch der Primärkreis
bei c und f unterbrochen wird, und zwar für dauernd und ohne nachfolgendes Pendeln.
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Abb. 8 zeigt den Anker b mit dem Gewicht f
in dieser
Ausschaltstellung. Die Wiedereinschaltung erfolgt durch Bewegung der Sekundären
nach rechts. Der am rechten Sekundärspulenflansch angenietete Winkel i stößt an
das Gewicht f und dreht dieses so weit, bis es wieder an die Kontaktschraube c stößt
und hierdurch den Primärkreis wieder schließt. Der nunmehr sofort wieder einsetzende,
von der Primären erzeugte Magnetismus bewirkt, daß Anker b und Gewicht f in dieser
Stellung verharren und dauernd Kontakt gegen c geben. Diese Wiedereinschaltung des
Primärkreises durch Drehen des Gewichtshebels f mittels des Winkels
i kann gemäß Abbildung nur erfolgen, wenn g und h sich nicht berühren, so
daß also die Wiedereinschaltung nur bei geöffnetem Sekundärkreis möglich ist, wobei
es gleichgültig ist, ob außerhalb des Transformators die Störung, die zum Kurzschluß
Anläß gab, weiterbesteht oder nicht.
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Angenommen, sie sei noch vorhanden und nach erfolgtem Wiedereinschalten
des Primärkreises durch Verschieben der Sekundären nach rechts würde nun die Sekundäre
nach links geschoben, bis g und h den Sekundärkreis wieder schließen, so würde lediglich
das Gewicht f wieder fallen, dadurch wiederum der Kontakt zwischen f und c und ferner
der Primärkreis unterbrochen werden. Die Verbindung zwischen f und c ist also nur
möglich, solange b unter der Wirkung eines entsprechend kräftigen Magnetismus zwischen
den beiden Polen steht oder, mit anderen Worten, solange in der Sekundären höchstens
der Normalstrom fließt. Spannungsregelung und völlige Ausschaltung im Sekundärkreis
sowie
Wiedereinschaltung des Primärkreises bei gleichzeitig geöffnetem
Sekundärkreis erfolgen durch ein einziges Regelorgan: nämlich durch die verschiebbare
Sekundärspule bzw. durch einen auf sie aufgesetzten (in der Zeichnung nicht ausgeführten)
Knopf, der das (ebenfalls nicht angedeutete) Gehäuse des Transformators durchdringt.
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Abb. 9 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung in der Vorderansicht,
wobei es gleichgültig ist, ob eine oder beide Spulen zwecks Regelung der Spannung
sich verschieben lassen oder ob sie fest auf dem Kern sitzen und es sich um einen
angezapften oder überhaupt nicht regelbaren Transformator handelt. Zur Betätigung
des, Ankers b wird der zwischen der Primären und der Sekundären bei sekundärseitigem
Kurzschluß einsetzende starke Streufuß benutzt. Die Abb. 9.zeigt den Transformator
im Kurzschluß- bzw. Uberstromfalle. Der Anker b ist an den Kern a angezogen, wodurch
der Primärkreis geöffnet wurde. Hierdurch wird der Kern, abgesehen von einer geringen
und zu vernachlässigenden Remanenz unmagnetisch. Der Anker b würde infolge seines
Gewichtes vom Kern abfallen und den Kontakt c wieder berühren, wodurch der Primärkreis
wieder eingeschaltet und der Anker b wieder vom Kern angezogen wird, sofern und
solange der sekundäre Kurzschluß besteht. Dies hätte ein dauerndes Funken zwischen
den Kontakten zur Folge, das zur schädlichen Erhitzung der ganzen Apparatur und
zum Verschmoren der Kontakte führen würde. Zwecks Vermeidung dieser Übelstände ist
der Anker mit dem Messingrohr k verbunden, das in L drehbar gelagert ist. Es ist
an beiden Enden verschlossen. In ihm befindet sich eine Kugel, die bewirkt, daß
das Röhr und damit der mit diesem verbundene Anker und Kontakt in der jeweiligen
Endstellung verharren, bei sekundärem Kurzschluß z. B. also gemäß Abb. 9 in der
gezeichneten Stellung. Die Kontaktvorrichtung bleibt in der Ausschaltstellung, und
der ganze Apparat ist daher sekundär- und primärseitig stromlos. Die Wiedereinschaltung
erfolgt durch Anheben der rechten Transformatorenseite, wobei die Kugel nach links
rollt, das Rohr auf der linken Seite Übergewicht erhält und diese sich senkt, wodurch
der Primärkreis wieder geschlossen wird.
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Eine andere Lösung der Aufgabe, ein böswilliges Blockieren der automatischen
Ausschaltvorrichtung zu unterbinden, zeigt Abb.zo. Man blickt hier auf die beiden
Pole eines Transformators, wie ihn die Abb.7 und ß zeigen. Das Gehäuse v umschließt
den Transformator, dessen nach Belieben feste oder verschiebbare Spulen nicht eingezeichnet
sind. Es wird durchsetzt von der Welle o, auf der leicht drehbar das Handrad t angeordnet
ist. Dieses Handrad steht mit dem fest auf der Welle o sitzenden Sperrrad s durch
die Sperrklinke ab in Verbindung. Diese Anordnung (oder eine andere Freiauslösung)
ist so getroffen, daß s durch Betätigung von t nur in einer Richtung - z. B. im
Uhrzeigersinne - mitgenommen werden kann. Auf der Welle o sitzen ferner fest: der
Doppel-T-Anker b, das Gewicht f, die Kontaktscheibe p. Die beiden
Bürsten q und r sind ruhend angeordnet. Die Welle o ist drehbar gelagert
in zwei Messingstücken n-n, die durch Schraubbolzen an den Polen a-a befestigt sind.
Der Stromkreis besteht aus Stromquelle, Primärspule, Bürste q, Kontaktscheibe p,
Bürste y, Stromquelle. Die Kontaktscheibe besteht aus Isoliermaterial und ist mit
einem Kupferstreifen derart belegt, daß die Bürsten nur während einer kleinen Drehung,
z. B. von 30', durch ihn verbünden sind, wodurch der Primärkreis geschlossen
ist. Während der übrigen Drehung von 330' ist der Primärkreis geöffnet.
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Die Abb. zo zeigt den Transformator in der Ausschaltstellung. Das
Gewicht hängt nach unten. Unter seiner Einwirkung bildet der Anker b nicht mehr
die Verbindung zwischen den Polen, sondern steht senkrecht auf deren Verbindungslinie.
Die Bürsten q urid r berühren die Isolierfläche der Kontaktscheibe
Zwecks Einschaltung bei Beginn des Betriebes des Transformators oder des Spieles
bzw. zwecks Wiedereinschalten nach vorausgegangenem Kurzschluß wird das Handrad
t im Uhrzeigersinne gedreht. Die Sperrklinke za nimmt das Sperrad s mit, und mit
diesem drehen sich Welle o, Anker b, Gewicht f und Kontaktscheibe
p. Nach einer Drehung des Handrades um 270 ' nehmen Anker b und Gewicht
feine Stellung senkrecht zu der gezeichneten ein (das Gewicht f zeigt
auf den Beschauer), und q und y sind durch den Kupferstreifen auf der Kontaktscheibe
leitend verbunden.
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Ist sekundärseitig noch Kurzschluß vorhanden, so besteht zwischen
den beiden Polen a-ca nur ein geringer Fluß, der den Anker infolge der Lage des
Gewichtes f nicht in der Verbindungslinie beider Pole zu halten vermag. Das Gewicht
fällt wieder nach unten (in die Stellung gemäß Abb. xo), und zwar infolge der Freiauslösung,
gleichviel ob das Handrad festgehalten wird oder nicht, und der Stromkreis wird
zwischen q und y unterbrochen.
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Fließt hingegen nach dem Wiedereinschalten im Sekundärkreis nur der
Normalstrom, so hält der kräftige zwischen den Polen a-ca bestehende Fluß den Anker
in der Verbindungslinie beider Pole, das Gewicht nimmt die Stellung senkrecht zu
der gezeichneten ein (es zeigt auf den Beschauer), und der Kupferstreifen auf der
Kontaktscheibe p hält die Verbindung zwischen q
und y aufrecht.
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Es ist im Sinne der Erfindung gleichgültig, ob bei den gezeigten Beispielen
dem bewegliehen
Anker als Gegenkraft ein Gewicht, eine Feder oder
ein ähnlich wirkendes Mittel entgegengesetzt wird, desgleichen ob die Transformatoren
nach der Erfindung regelbar bzw. auf welche Weise sie regelbar sind. Belanglos ist
ferner im Sinne der Erfindung die Anordnung der Spulen (z. B. ob auf einem oder
verschiedenen Schenkeln), ob bei Kurzschluß Primär-oder Sekundärkreis unterbrochen
werden, ob die Schaltungen gemäß Abbildung erfolgen oder in der Art, daß sogenannte
Momentschalter verwendet werden, ob die Kontaktgebung durch Schleif-, Druck-, Quecksilberkontakte
oder auf sonst eine andere Weise erfolgt.