DE8230263U1 - Elektromechanisches zaehlwerk - Google Patents

Description

Elektromecha'nisches'Zaliiwerk

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisch.es Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren von elektrischen Impulsen, bestehend aus einer oder mehreren hintereinanrlergeschalteten Ziffernrollen, von welchen jede einzelne von der vorhergehenden antreibbar ist, wobei die Anfangsζiffernrolle ein Gangrad trägt, an welches abwechselnd die im Endbereich eines elektromagnetischen Schaltankers angeordneten Vorsprünge angreifen und dadurch die Anfangsziffernrolle schrittweise in Drehung versetzen.

Elektromechanische Zählwerke werden bekannterweise auf der Basis und Technologir eines Relais gabaut und betrieben. Dazu wird eine um einen Weicheisenkern gewickelte Spule verwendet. Die vom elektrischen Strom durchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches ein in unmittelbarer Nähe vom Weicheisenkern angelenktes Eisenplättchen anzieht. Mit diesem Plättchen verbunden ist eine entsprechende Mechanik, welche die Schwenkbewegung des Plättchens in eine Drehbewegung der Ziffernrolle umsetzt. Nach dem Aufhören des Stromflusses in der Spule wird der Mechanismus durch eine Feder, welche durch die Schwenkbewegung des Plättchens gespannt worden ist, wieder in seine Ruhelage rückgebracht .

Diese bekannten Zählrelais erfordern einen hohen mechanischen Aufwand für eine reibungsarme und präzise Lagerung aller bewegten Teile wie: Stoßklinken, Rollanker, Magnetanker sowie etwaiger ümlenkhebelmechanismen. Weiters ist durch den Trägheitswiderstand all dieser Metallteile die Zählfrequenz begrenzt, so daß diese erforderlichenfalls nur durch verstärkte Rückzugsfedern und damit verbundener höherer Erregerleistung noch erhöht werden kann. Das hat jedoch zur Folge, daß der Zähler mit einem Vielfachen der Energie betrieben werden muß als zur eigentlichen Fortschaltung erforderlich wäre. Zur Erhöhung der Zählfolge, d.h. zur Erzielung kürzerer Anzugs- und Äbfallzeiten ist eine höhere Beschleunigung der bewegten Massen notwendig, die nur durch Erhöhung der wirkenden Kräfte erreicht Weifden kann. Erschwerend wirkt sich dabei die Tatsache auS/ daß die Kraft/ mit der der Magnefcanker zürn Spulenkern oder in die Spule gezogen Wird/

ιι··ί··»··ί -_ -4

1 I · ί < < · t · « I Sl

ι ι · < ι · · ι > ι te; ι

• '••••••••I·· Il |>

eine Funktion des magnetischen LUftspaltes darstellt, d.hu, \

die Anzugskraft wird bei gleichbleibender Spülenerregüng '%

umso kleiner^ je gfößei: der magnetisch wirksame Luftspalt 1

Wird und erreicht umgekehrt ein Makimüm, wenn der Luftspalt 1 null wird,

Im konkreten Fall ergibt sich ein relativ langsames Anstei- I

gen der Kraft aufgrund des Abstandes, den der Magnetanker |

durch die Hinbewegung zum Kern laufend verringert. !

Nach dem dynamischen Grundgesetz J

F (Kraft) = m (Masse) * a (Beschleunigung) !

ist, da die Masse konstant bleibt, die Beschleunigung nur von |'

der Kraft (F) abhängig* · |

Danach gilt: a = k · F, wann man (h) als Konstante für den |

Reziprokwert der Masse einsetzt. Da die Kraft (F) in der |

Anfangsphase des Ankeranzüges ein Minimum ist, ist auch die |

Beschleunigung (a)zum selben Zeitpunkt gering. Da aber auch die 1

Geschwindigkeit (v) zur Beschleunigung (a) proportional ist !

(v = a . t), wird sie erst allmählich mit größer werdender

Kraft zunehmen. Das bedeutet_T daß sich auch der Wirkungsgrad §

( I^ ) des Zählwerkes |

/Tj = abgegebene Energie ]

*- zugeführte Energie |

umgekehrt proportional zum Luftspalt ändert, also in der An- fj

fangsphase des Ankeranzuges sehr schlecht ist. Da aber die I

größte Anzugskraft in der Endphase der Ankerbewegung auf- |

tritt, zu einer Zeit also, zu der der Schaltvorgang der * Ziffernrolle schon beendet ist, wird die nunmehr umgesetzte Energie wieder nicht nutzbringend verwendet, sondern zusammen mit der kinetischen Energie des Ankers an seinem Endanschlag im Wärme umgesetzt oder zur Deformation des Materials verwendet, was einen schlechten Wirkungsgrad ergibt.

Die Magnetisierung des Eisens bewirkt nach dem Aufhören des Stromes in der Erregerspule des Magnetsystems eine Remanenz, die sich insofern störend bemerkbar macht, als dadurch die Ansprechwerte des.·Ζβα\1;Ζ&ί3-4ί$.'verschoben werden. So wird der

4* 4 * «■ Λ jf if

-3-

Ansprechpurikfcim folgenden Öchäl.tvorgäng durch einen wesentlich geringeren Stromflüß erfeiahfc, da sich das induzierte Magnetfeld auf das rentänente Feld aufbaut. Dieser Restmagnetismus kann so stark sein, daß ein exaktes Abfallen des Magnetankers nicht mehr gewährleistet ist/ oder dieser sogar am Magnetkern kleben bleibt. In jedem Fall ist ein erheblicher Aufwand erforderlich, um diese Nachteile zu kompensieren, falls man nicht durch eine weitere Vergrößerung des wirksamen Luftspaltes den elektrischen Wirkungsgrad noch mehr verschlechtern möchte.

Es ist ferner bekannt, Zählwerke mit Schrittmotoren anzutreiben, wobei man die Raststellungen des pertnanentmagnetischen Rotors für die mechanische Positionierung der Ziffernrollen heranzieht. Die Anwendung eines Schrittmotors bedingtjedoch einen nicht unerheblichen Aufwand für den Motor selbst, da dieser, bedingt durch sein Funktionsprinzip, sehr präzise gefertigt sein und außerdem mittels eines Zahnradgetriebes an das Ziffernrollenwerk angekoppelt werden muß. Andererseits erfordert die elektric sehe Ansteuerung des Schrittmotors genaue eir- oder mehrphasige Impulsfolgen, die oft nur durch aufwendige elektronische Spezialschaltungen realisiert werden können. Da aber auch die Ansteuerelektronik elektrische Energie verbraucht, wird oft der relativ gute Wirkungsgrad eines Schrittmotors dadurch wieder yerschlecntert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für ein elektromechanisches Rollen-Zählwerk zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Antriebe vermeidet und gegenüber diesen in seinem Aufbau wesentlich einfacher sein soll. Insbesondere soll der angestrebte Antrieb eine hohe Schaltfolgegeschwindigkeit und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad haben. Ferner besteht das Bedürfnis, die Ansteuerung des Zählwerkes mittels einfacher Stromimpulse zu ermöglichen, die keine elektronische Aufbereitung erfordern, wobei eine magnetische Remanenz und ein Klebenbleiben des magnetisch angezogenen Teiles vermieden sein soll.

Die Erfindung löst die Aufgabenstellung in einfacher Weise dadurch, daß der Schaltanker kraftschlüssig mit einer elektrischen Spule verbunden ist, di,e im .Rra.f tf eld. gleichpolig zueinander gegenüber-

• ί · 1 ' 1 · 4 t> til· I ι · _al

f I , · I* · 4·

liegender Permanentmagftetsysteme angeordnet ist und beim HiriduEchi:ließen elektrischen Stromes von dem einen zürn anderen Magnetsystem eine Ablenkung erfährt.

Da die Kraft, die die Spüle auf den Schaltanker überträgt,! Über dem gesamten Auslenkungsbereich aufgrund der Spulengeometrie annähend gleich ist, ist die Lage des Schaltpunkteä der Ziffernrolle bezüglich des Weges unbedeutend, so daß größere Toleranzen zügelassen werden können. Während man bei der Konstruktion des Magnetankerzählrelais darauf achten muß, den Schaltpunkt bzw. den Punkt der größten Leistungsabgabe in den an sich schon kurzen Bereich knapp vor dem Endanschlag zu legen, steht beim erfindungsgemäßen magnetodynamischen Antrieb ein relativ großer Weg zur Verfügung, der infolge der linearen Kraftverteilung zur Weiterschaltung des Zählers voll ausgenützt werden kann. Die Spule kann auch in ihrer Geometrie den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Einen wesentlichen Vorteil stellt allerdings die universelle elektrische Anpassungsmöglichkeit der Spule an bereits vorhandene Stromquellen dar. Es können daher teure Anpassungsünd Interfaceeinrichtungen entfallen, was wesentlich zu Verbilligung eines Systems beiträgt. Dadurch, daß die erfindungs gemäße Spule keinen Eisenkern enthält, ist die Induktion (B) auch nicht von einer sich mit der Feldstärke (H) ändernden relativen Permeabilität (ü ,) abhängig, wie die Gleichung zeigt. B=ü_rel . ü_Q . H . Dabei stellt (ü_Q) die absolute Permeabilität des leeren Raumes dar.

Die Kraft,die eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld erzeugt, hängt alleine von der Induktion (B) des Magnetfeldes im Luftspalt, der Länge des Leiters (1) bzw. der Windungszahl und dem durch die Spule fließenden Strom (I) ab.

F = B . 1 . I

Das bedeutet, daß die Kraft (F) bei einer gegebenen Induktion (B) nur von der Amperewindungszahl abhängt. Bleibt dieses Produkt konstant, so kann S^rom und Windungszahl jeweils in Abhängigkeit voneinander beliebig verändert werden (geringe Windungszahl -_>hoher_i Strom, ,hohe Windungszahl - geringer Strom) . Dies gej- .·' . '; j ■ .·' ·";, ';

tilt I I I I > Il

I I f

« I c¹ '

t -r D — I

ι ι ι ι ι ι ι · il<

t I I

■ I

I >

ψ stattet, aliäh für gewisse Anwendungsfälle, eine Spüle zu wählen/

j die eine minimale Selbstinduktion aufweist. Dadurch kann die

Dämpfung auf ein für jedes System optimales Maß gebrächt werden/

•| was eine Beeinflussung auch der Schaltfolgegeschwindigkeit

S zuläßt.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Aüsführüngsbeispielen naher veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 den erfindufigsgemäßen Gegenstand mit einem schwenkbar gelagerten und Fig* mit einem als Schieber ausgebildeten Schaltanker.

Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäß ausgebildete elektromechanisch^ Zählwerk besteht aus mehreren auf einer Welle 1 sitzenden Ziffernrollen 2, 3, von welchen jede über entsprechende

Triebzahnräder von der vorhergehenden Ziffernrolle antreibbar ist. Die Anfangsziffernrolle 3 trägt ein Gangrad 4/ in dessen Zahnlücken abwechselnd die zahnförmigen Enden 5/ 6 eines

^y U-förmigen Schaltankers 7, der um eine waagerechte Achse 8

schwenkbar ist, eingreifen. Durch diesen abwechselnden Eingriff der Zahnenden 5, 6 in die Zahnlücken das Gangrades 4 erfolgt ein schrittweises Fortschalten der Ziffernrolle 3 in die Richtung des Pfeiles 9.

Erfindungsgemäß trägt der Schaltanker 7 an der den Zahnenden 5, 6 abgewendeten Seite an einem Arm 10 eine elektrische, drahtgewickelte Spule 11, die äußerlich die Form einer zylindrischen Scheibe hat und mit der Achse 8 in einer gemeinsamen Ebene liegt. Die kernlose Spule 11 ist im Magnetfeld zweier permanenter Magnete 12, 13 angeordnet und wird je nach der Richtung des sie durchfließenden elektrischen Stromes entweder von dem Magnet 12 oder vom Magnet 13 angezogen bzw. abgestoßen. Diese Bewegung der Spule 11 im Magnetfeld der Magnete 12, 13 wird auf den Schaltanker 7 zwecks Fortschaltung der Ziffernrollen 2, 3 übertragen.

Damit die Spule 11 nach Beendigung des Stromflusses in ihre Ausgangslage zurückkehren kann, greift eine Feder 14 am

-6-Schaltanker 7 an.

In Fig. 2 wurde die Drehbewegung des Ankers 7 durch eine Linearbewegung ersetzt. Der das Gangrad antreibende Schaltanker 15 ist als Schieber ausgebildet, an welchem direkt oder ι über eine kraftschlüssige Mechanik die Spule¹ 11 befestigt ist. Er ist in einer entsprechenden Führung reibungsarm gelagert y und kann durch eine an ihn angreifende Feder 14 in die je- { weilige Ausgangslage rückgeführt werden. Die Spule 11 selbst * liegt wiederum im wirksamen Luftspalt zweier gleichpolig zueinander angeordneter Permanentmagnete 12,13. Prinzipiell würde „ auch ein einziger Magnet ausreichen, der Wirkungsgrad erhöht ; sich aber bei Verwendung von zwei Magnetsystemen um ein Vielfaches .

Da die Bewegungsrichtung der Spule 11 von der Richtung des sie χ durchfließenden Stromes abhängig ist, kann die erforderliche | Rückstellkraft statt über eine mechanische Feder auch über | eine Richtungsänderung des Spulenstromes erhalten werden. \ Beispielsweise kann die Fortschaltung des Zählwerkes durch die , zeitliche Folge eines positiv und eines negativen Impulses f erfolgen. Dabei ist es nicht wesentlich, ob die beiden Impulse t unmittelbar aufeinanderfolgen oder in zeitlich beliebigem Abstand auf den Zähler wirken. Aufgrund dieser Eigenschaften ist auch eine bistabile Arbeitsweise des Zählers zu erreichen, wobei unabhängig von der Bewegungsrichtung der Spule 11 eine Weiterschaltung des Zählers um eine Zahl erfolgt, wenn zur i Ansteuerung abwechselnd positive und negative Impulse vorliegen. Daraus folgt, daß nur eine in Bezug auf die Stromrichtung des vorangegangenen Impulses inverse Stromrichtung einen Zählvorgang bewirken kenn. Diese Betriebsart kann beispielsweise die Auswertung von Informationen aus logischen Schaltkreisen sowie auch aus Maschinensteuerungen wirtschaftlicher ermöglichen. Auch kann ein Betrieb des erfindungsgemäßen Zählers mit Wechselstrom realisiert werden, was besonders dann vorteilhaft erscheint, wenn das System in der Nähe Seiner mechanischen Grenzfreqüenz betrieben Werden soll.

·ν:ι ■"..

• ' μ (ι ι ι ι ι

•I 11)

• i < 11

•IC ill

-7-

Aufgrund des äußerst geringen Energiebedarfes des erfindungsgemäßen Zählerantriebssystems steht hiermit ein Zählwerk zur Verfügung, das sich optimal für den Einsatz in batteriegespeisten Geräten wie z.B. Wärme-Mengenzählern, sowie für den Betrieb aus Solarbatterien eignet.

Claims (5)

> I μ S c h .u t ζ ä η sp r ü' c h e _

1. Elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren von elektrischen Impulsen, bestehend aus einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Ziffernrollen, von welchen jede einzelne von der vorhergehenden antreibbar ist, wobei die Anfansziffernrolle ein Gangrad trägt, an welches abwechselnd die im Endbereich eines elektromagnetischen Schaltankers angeordneten Vorsprünge angreifen und dadurch die Anfangsziffernrolle schrittweise in Drehung versetzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltanker (7,15) kraftschlüssig mit einer elektrischen Spule (11) verbunden ist, die im Kraftfeld gleichpolig zueinander gegenüberliegender Permanentmagnetsysteme (12,13) angeordnet ist.

2. Zählwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Spule (11) und Schaltanker (7,15) umfassende Antriebssystem mechanisch im Gleichgewicht befindet.

3. Zählwerk nach Ansprch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spule (11) die Form einer innen hohlen zylindrischen Scheibe hat.

4. Zählwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule selbst integrierter Bestandteil eines Schaltankers ist.

5. Zählwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aüsgangslage der Spule (11) rSvrqh eine am Schaltanker (7,15) angreifende Feder (14) gesichert ist.

' · < ill

■ ■' ι κι Ii