EP0963596A1 - Elektromechanisches schaltgerät - Google Patents

Elektromechanisches schaltgerät

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EP0963596A1
EP0963596A1 EP98910592A EP98910592A EP0963596A1 EP 0963596 A1 EP0963596 A1 EP 0963596A1 EP 98910592 A EP98910592 A EP 98910592A EP 98910592 A EP98910592 A EP 98910592A EP 0963596 A1 EP0963596 A1 EP 0963596A1
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EP
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switching device
switching
inductance
magnetic field
sensor
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Fritz Pohl
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/04—Means for indicating condition of the switching device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/04—Means for indicating condition of the switching device
    • H01H2071/048—Means for indicating condition of the switching device containing non-mechanical switch position sensor, e.g. HALL sensor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic switching device with at least one movable contact and associated drive in a device housing, with means for contactless detection of the switching state, magnetic field sensors being provided, which are arranged at a suitable point inside and / or outside the device housing and detect the magnetic field values associated with one of several switching states, the device housing having a switching handle intended for manual triggering.
  • Switching states of electromechanical protective switching devices are characterized by tripping processes of the switch mechanism and can therefore be detected by detecting the change in position of certain components, such as for example the switching handle of the magnet armature usually present or an associated bimetal, and the associated occurrence of strong magnetic fields in the event of overcurrent or short circuit.
  • DHE differential Hall effect
  • GMR G_iant magneto-resistive
  • AMR anisotropy magneto resistive sensor
  • the object of the invention is to provide a switching device with robust and inexpensive sensor elements for the position monitoring of parts carrying magnetic fields.
  • a miniature inductor with ferrite core is present as a highly sensitive magnetic field sensor, with which the position of the control handle or a part coupled to it is monitored and / or the current flowing in the switching device is detected.
  • Such miniature inductors known per se are advantageously suitable for the use of state detection in switching devices.
  • the permeability of the ferrite core of the miniature inductor is changed by the action of external magnetic fields and there is a clear sensitivity to the field direction, in particular in the case of a pronounced axial geometry.
  • the variable inductance of the miniature inductance can preferably be evaluated with an oscillator circuit.
  • Miniature inductors in a wide variety of designs are known from the prior art; they are mass-produced, so that they are mature as a mass product and are advantageously extremely inexpensive.
  • the ferrite core of miniature inductance which changes the permeability through the action of external magnetic fields, serves as the actual sensor means for the intended use in the invention.
  • FIG. 1 is a switching device with an inductance sensor and associated permanent magnets, which are attached outside the switch housing.
  • FIG. 2 shows an exploded drawing of the sensor arrangement and the drive bracket from FIG. 1 to clarify the position detection,
  • FIG. 3 shows an evaluation circuit for measuring the change in inductance of the inductance sensor used in FIG. 1
  • FIG. 4 shows an oscillogram for manually switching off a circuit breaker
  • FIG. 5 shows a symmetrical evaluation circuit for measuring the change in inductance of a differential inductance sensor
  • FIG. 6 shows an oscillogram of the manual switch-off of a circuit breaker with a differential inductance sensor
  • Figures 7 to 9 different oscillograms to illustrate the switching behavior
  • Figure 10 is a switching device corresponding to Figure 1, in which a
  • FIGS. 12 to 14 oscillograms of the switching behavior in the switching device according to FIG. 10,
  • FIG. 15 the arrangement of a miniature inductor with a permanent magnet as an angle or proximity sensor, and
  • FIG. 16 an oscillogram to explain the effect of FIG. 15.
  • FIG. 1 shows the spatial arrangement of a sensor system for a line circuit breaker selected on a test device, the sensor system being located outside the switch housing at a short distance from the housing side wall and being shown in a projection onto the switching device: in a switch housing 1 are known in Way terminals 2 and 3, a contact arrangement of fixed contact 4 and moving contact 5, associated connections with a bimetal as a line connection 7 and a solenoid 8 available and shown in a simplified representation.
  • the fixed contact 4 is located on a rigid contact carrier 40, the moving contact 5 on a movable contact carrier 50, which can be activated via a drive bracket 51 made of ferromagnetic material and a turning handle 52.
  • a permanent magnet 11 is attached “under” the movable contact carrier 50, to which an inductance sensor 60 with electrical connections 61, 62 is assigned.
  • the permanent magnet 11 is provided with a field-strengthening iron sheet 12.
  • the magnetic field of the permanent magnet 11 is coupled onto the drive bracket 51 and, for field strengthening, the iron sheet 12 is applied to the side of the permanent magnet facing away from the drive bracket 51, which the inductance sensor 60 approximately to towering over the middle.
  • the inductance sensor 60 is located between the approximately parallel legs of a U-shaped magnetic circuit composed of the drive bracket 51 and the iron sheet 12, the transverse leg of which is formed by the permanent magnet 11.
  • the magnetization direction is chosen so that the magnetic field emerges from the permanent magnet 11 perpendicular to the plane of the drawing in FIG.
  • a signal circuit is fed by a square wave generator 101 with, for example, an amplitude of + 15 V, a frequency ⁇ 1 MHz and a current consumption 1 1 mA, and the output signal is further processed via a differential amplifier 111.
  • the measuring circuit contains, in addition to the actual measuring branch, a compensation branch for determining the zero differential voltage.
  • Measuring branches are largely identical to avoid a temperature drift of the output voltage, which is dependent on the diode properties. In detail are in the
  • L is the variable inductance of inductance sensor 60.
  • the RC elements are used for signal integration.
  • FIG. 4 shows the associated measuring oscillogram with the temporal course of the sensor signal Is and its influence by the magnetic field of the electric current flowing in the switch.
  • iron shielding for example with 0.8 mm iron sheet, must be provided on the outside of the sensor device. It can be seen from the oscillogram that the magnetic field overlaps the field of the permanent magnet and modulates the position signal of the inductance sensor 60.
  • FIG. 5 the evaluation circuit according to FIG.
  • the interference signal of the differential inductance sensor 60 ′ reaches approximately half the signal swing between the on and off position.
  • the magnetic field influence mainly comes from the trigger coil, which can be derived in detail from the oscillograms according to FIGS. 7 to 9.
  • the magnetic field sensitivity of, in particular, magnetically biased inductance sensors can also be used for a rough current measurement.
  • the geometric arrangement of the switching device is shown in FIGS. 10 and 11
  • FIG. 11 reproduced, in the area of the solenoid 8th an inductance sensor 60 'is arranged at a distance of 2 mm from the outside of the housing.
  • a permanent magnet 11 'with a field-reinforcing iron plate 12' is in turn associated with the inductance sensor 60 '. It is particularly clear from FIG. 11 that a rough current measurement is possible with the inductance sensor 60 'by determining the magnetic field at the trigger coil, since the sensitivity of the sensor is increased by the magnetic bias.
  • FIG. 15 Another possible application of the specified miniature inductance exists in switching devices as a proximity or angle sensor if a permanent magnet is used as the transmitter element. This is illustrated in FIG. 15.
  • FIG. 15 shows in detail the geometrical assignment of an inductance sensor 60 ′′ to a rotatably mounted permanent magnet 11 ′′.
  • the inductance signal of the sensor 60 ′′ can be processed further by the evaluation circuit in FIG. 3 and is shown as an oscillogram in FIG. 16.
  • Figure 16 shows the oscillographically measured voltage signal Ws as a function of the angle of rotation.
  • the sensor signal depends on the distance between sensor 60 ′′ and permanent magnet 11 ′ and its period is 180 ° of the angle of rotation. For the half period of 90 °, the angle of rotation and the sensor signal are therefore clearly assigned to one another.
  • the measurement signal curve in FIG. 16 is influenced by the tuning of the evaluation circuit and has approximately a sine square curve.
  • the sensitive measuring range extends over a rotation angle range of approximately 25 °. While the measurement signal in the interval from 60 to 120 ° according to Figure 16 deviates greatly from the sinusoidal curve, the sensor inductance shows a monotonically increasing curve between L 0 ⁇ 185 ⁇ H to L 90 ⁇ 90 ⁇ H in the interval from 0 to 90 ° rotation angle. Due to the strong permanent magnetic field and the resulting large voltage swing of the measurement signal of 2 V, the susceptibility to interference from external magnetic fields is relatively low.
  • the angle sensor constructed with the described miniature inductance can therefore be used to detect the switching state of a motor protection switch, the switching position and the short-circuit release being identified by the angle of rotation position of the associated shafts.
  • the evaluation circuits in FIGS. 3 and 5 in particular show that the electronic outlay for the described uses of the miniature inductors is low and is essentially relates to a square wave generator with high frequency and amplitude constancy at low current load and a differential amplifier for generating an output signal related to 0 V. A switching device with position monitoring is thus implemented, which requires only a little additional effort.

Landscapes

  • Switches That Are Operated By Magnetic Or Electric Fields (AREA)
  • Breakers (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

Elektromechanische Schaltgeräte haben wenigstens einen beweglichen Kontakt und einen zugehörigen Antrieb in einem Gerätegehäuse. Bereits vorgeschlagen wurden Mittel zur berührungslosen Erkennung des Schaltzustandes, wobei Magnetfeldsensoren vorhanden sind, die an geeigneter Stelle innerhalb und/oder außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet sind und die mit jeweils einem von mehreren Schaltzuständen verknüpfte Magnetfeldwerte erfassen. Das Gerätegehäuse hat üblicherweise einen zur Handauslösung bestimmten Schaltgriff. Erfindungsgemäß ist eine Miniatur-Induktivität (60, 60a, 60b, 60', 60'') mit Ferritkern als hochempfindlicher Magnetfeldsensor vorhanden, mit der die Position des Schaltgriffes (52) oder eines damit gekoppelten Teiles überwacht wird und/oder der im Schaltgerät fließende Strom erfaßt wird. Derartige Miniatur-Induktivitäten (60, 60a, 60b, 60', 60'') sind äußerst kostengünstig.

Description

Beschreibung
Elektromechanisches Schaltgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Schaltgerät mit wenigstens einem beweglichen Kontakt und zugehörigem Antrieb in einem Gerätegehäuse, mit Mitteln zur berührungslosen Erkennung des Schaltzustandes, wobei Magnet- feldsensoren vorhanden sind, die an geeigneter Stelle inner- halb und/oder außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet sind und die mit jeweils einem von mehreren Schaltzuständen verknüpfte Magnetfeldwerte erfassen, wobei das Gerätegehäuse einen zur Handauslösung bestimmten Schaltgriff aufweist.
Schaltzustände elektromechanischer Schutzschaltgeräte sind durch Auslösevorgänge der Schaltermechanik gekennzeichnet und können demzufolge durch Detektion der Positionsänderung bestimmter Komponenten, wie beispielsweise des Schaltgriffes des üblicherweise vorhandenen Magnetankers oder eines zuge- ordneten Bimetalls, und dem zugehörigen Auftreten kräftiger Magnetfelder bei Überstrom oder Kurzschluß erfaßt werden.
In der älteren, nichtvorveröffentlichten DE 19 60 742 A0 werden magnetosensitive Sensoren wie Differential-Hall- Effekt (DHE) -Sensor, G_iant-Magneto-Resistive (GMR) -Sensor und Anisotropie-Magneto (AMR) -Eesistive Sensor dazu vorgesehen, insbesondere die Bewegung des Schaltgriffes eines Leitungsschutzschalters aus der damit gekoppelten Drehbewegung des Antriebsbügels zu detektieren. Letztere DHE-, GMR- und AMR-Sensoren enthalten jeweils eine integrierte Elektronik und liefern normierte Ausgangssignale, wobei speziell ein GMR-Sensor einen zusätzlichen Differenzverstärker benötigt. Insbesondere die GMR-Sensoren haben noch die Besonderheit einer mangelhaften Stabilität der Sensoreigenschaften gegen magnetische Übersteuerung. Insgesamt sind die vorbekannten Sensoren vergleichsweise aufwendig und teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Schaltgerät mit robusten und preiswerten Sensorelementen für die Positionsüberwachung magnetfeldführender Teile zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Miniaturinduktivität mit Ferritkern als hochempfindlicher Magnetfeldsensor vorhanden ist, mit der die Position des Schaltgriffes oder eines damit gekoppelten Teiles überwacht wird und/oder der im Schaltgerät fließende Strom erfaßt wird.
Vorteilhafterweise sind solche an sich bekannte Miniatur- Induktivitäten zur Anwendung der Zustandserkennung bei Schaltgeräten geeignet.
Bei der Erfindung wird die Permeabilität des Ferritkerns der Miniaturinduktivität durch die Wirkung von äußeren Magnetfeldern verändert und liegt insbesondere bei ausgeprägter axialer Geometrie eine deutliche Feldrichtungsempfindlichkeit vor. Die veränderliche Induktivität der Miniaturinduktivität kann vorzugsweise mit einer Oszillatorschaltung ausgewertet werden . Vom Stand der Technik sind Miniatur-Induktivitäten in unterschiedlichster Ausführung bekannt, sie werden in Massenfertigung hergestellt, so daß sie als Massenprodukt ausgereift und vorteilhafterweise äußerst preiswert sind. Zum bestimmungsge- mäßen Einsatz bei der Erfindung dient als eigentliches Sensormittel der Ferritkern der Miniatur- Induktivität , welcher durch die Wirkung äußerer Magnetfelder die Permeabilität ändert .
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
Figur 1 ein Schaltgerät mit einem Induktivitätssensor und zugehörigen Permanentmagneten, die außerhalb des Schaltergehäuses angebracht sind. Figur 2 eine Explosionszeichnung der Sensoranordnung und des Antriebsbügels aus Figur 1 zur Verdeutlichung der Positionserfassung,
Figur 3 eine Auswerteschaltung zur Messung der Induktivitätsänderung des in Figur 1 verwendeten Induktivitätssensors, Figur 4 ein Oszillogramm zur Handausschaltung eines Leitungs- schutzschalters,
Figur 5 eine symmetrische Auswerteschaltung zur Messung der Induktivitätsänderung eines Differenz-Induktivitätssensors, Figur 6 ein Oszillogramm der Handausschaltung eines Leitungs- schutzschalters mit einem Differenz-Induktivitätssensor, Figuren 7 bis 9 verschiedene Oszillogramme zur Verdeutlichung des Schaltverhaltens, Figur 10 ein Schaltgerät entsprechend Figur 1, bei dem ein
Induktivitätssensor und zugehöriger Permanentmagneten mit feldverstärkendem Eisenblech außerhalb des
Schaltgerätes zur Strommessung in der Schaltspule angebracht sind, Figur 11 eine Explosionszeichnung zur Verdeutlichung von Figur 10, Figuren 12 bis 14 Oszillogramme des Schaltverhaltens beim Schaltgerät gemäß Figur 10, Figur 15 die Anordnung einer Miniaturinduktivität mit Permanentmagnet als Winkel- oder Näherungssensor und Figur 16 ein Oszillogramm zur Erläuterung der Wirkung von Figur 15.
Figur 1 zeigt die an einer Versuchseinrichtung gewählte, räumliche Anordnung einer Sensorik für einen Leitungsschutz- Schalter, wobei sich die Sensorik außerhalb des Schalter- gehäuses in geringem Abstand zur Gehäuseseitenwand befindet und in Projektion auf das Schaltgerät dargestellt ist: Bei einem Schaltergehäuse 1 sind in bekannter Weise Anschlußklemmen 2 und 3 , eine Kontaktanordnung aus Festkontakt 4 und Bewegkontakt 5, zugehörige Anschlüssen mit einem Bimetall als Leitungsverbindung 7 sowie eine Magnetspule 8 vorhanden und in vereinfachter Darstellung wiedergegeben. Der Festkontakt 4 befindet sich auf einem starren Kontaktträger 40, der Bewegkontakt 5 auf einem beweglichen Kontaktträger 50, der über einen Antriebsbügel 51 aus ferromagnetischem Material und einen Drehgriff 52 aktivierbar ist. In projizierter Darstellung ist „unter" dem beweglichen Kontaktträger 50 ein Permanentmagnet 11 angebracht, dem ein Induktivitätssensor 60 mit elektrischen Anschlüssen 61, 62 zugeordnet ist . Der Permanentmagnet 11 ist mit einem feld- verstärkendem Eisenblech 12 versehen.
Um die Position des ferromagnetischen Antriebsbügels 51 mit dem Induktivitätssensor 60 zu erfassen, wird das Magnetfeld des Permanentmagneten 11 auf den Antriebsbügel 51 eingekop- pelt und zur Feldverstärkung das Eisenblech 12 auf der vom Antriebsbügel 51 abgewandten Seite des Permanentmagneten aufgebracht, welches den Induktivitätssensor 60 etwa bis zu dessen Mitte überragt .
Gemäß Figur 2 befindet sich der Induktivitätssensor 60 zwischen den annähernd parallelen Schenkeln eines U-förmigen Magnetkreises aus Antriebsbügel 51 und Eisenblech 12, dessen Querschenkel durch den Permanentmagneten 11 gebildet wird. Die Magnetisierungsrichtung ist dabei so gewählt, daß das Magnetfeld senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1 aus dem Permanentmagneten 11 austritt .
In der Auswerteschaltung gemäß Figur 3 wird durch einen Rechteckgenerator 101 mit beispielsweise einer Amplitude von + 15 V, einer Frequenz ~ 1 MHz und einer Stromaufnahme ~ 1 mA ein Signalkreis gespeist und das Ausgangssignal über einen Differenzverstärker 111 weiter verarbeitet.
Durch die Änderung des magnetischen Flusses im Induktivitäts- sensor 60 bei der Drehung des ferromagnetischen Antriebsbügels 51 aus der Ausschalt- in die Einschaltposition ändert sich beispielsweise der Induktivitätswert von 450 μH (= Laus) auf 470 μH (= Lein) . Um diese vergleichsweise geringe relative Induktionsänderung von 4 % messen zu können, enthält die Meßschaltung neben dem eigentlichen Meßzweig einen Kompensa- tionszweig zur Festlegung der Nulldifferenzspannung. Beide
Meßzweige sind weitestgehend gleich aufgebaut, um eine Temperaturdrift der AusgangsSpannung, die abhängig von den Diodeneigenschaften ist, zu vermeiden. Im einzelnen sind in den
Meßzweigen jeweils Widerstände 102, 102' mit mit Rx 10 kΩ und RC-Glieder 103, 103' mit C3 = 100 nF und R3 = 10 kΩ vorhanden. Mit L ist die veränderliche Induktivität des Induktivitätssensors 60 bezeichnet. Der Induktivität 60 ist eine Kapazität 104 mit Cx ~ 6,8 nF zu einem Auswertezweig nachgeschaltet, zum anderen Auswertezweig ein Widerstand 105 mit R2 = 4,7 kΩ nachgeschaltet, wobei in den Signalzweigen über die
Dioden eine Gleichrichtung erfolgt. Die RC-Glieder dienen zur Signalintegration .
Figur 4 zeigt das zugehörige Meßoszillogramm mit dem zeitli- chen Verlauf des Sensorsignals Is und dessen Beeinflussung durch das Magnetfeld des im Schalter fließenden elektrischen Stromes. Um eine Feldverzerrung durch Eisenteile, beispielsweise von benachbarten Leitungsschutzschaltern, am Ort des Induktivitätssensors 60 zu vermeiden, ist eine Eisenabschir- mung, beispielsweise mit 0,8 mm Eisenblech, auf der Außenseite der Sensoreinrichtung vorzusehen. Aus dem Oszillogramm ist ersichtlich, daß das Magnetfeld sich dem Feld des Permanentmagneten überlagert und das Positionssignal des Induktivitätssensors 60 moduliert. In Figur 5 ist die Auswerteschaltung gemäß Figur 3 derart abgeändert, daß eine Differenzschaltung zweier Induktivitäts- sensoren 60a und 60b mit Induktivitäten Ll und L2 erfolgt, wobei jeweils einer der Sensoren 60a und 60b über eine Kapazität 104 mit Cl ~ 6,8 nF an einen der Auswertezweige geschaltet ist . Ansonsten entspricht die Anordnung der in Figur 1 beschriebenen Anordnung. Ein solcher Differenz-Induktivitätssensor liefert ein erheblich kleineres Störsignal des im Schalter fließenden elektrischen Stromes.
Aus dem Oszillogramm in Figur 6 ist im einzelnen erkennbar, daß im Vergleich zu Figur 4 die Signalmodulation durch das Magnetfeld beim Differenz-Induktivitätssensor erheblich geringer ist. Im Idealfall ergibt sich, daß bei der Differenz- auswertung das Positionssignal ungeschwächt bleibt, während das an beiden Sensoren etwa gleichgroße Störsignal unterdrückt wird.
Bei der Kurzschlußauslösung des anhand Figur 1 beschriebenen Leitungsschutzschalters mit etwa 100 A erreicht das Störsignal des Differenzinduktivitätssensors 60' etwa den halben Signalhub zwischen Ein- und AusschaltStellung. Der Magnet- feldeinfluß rührt dabei hauptsächlich von der Auslösespule her, was im einzelnen aus den Oszillogrammen gemäß den Figu- ren 7 bis 9 abgeleitet werden kann.
Die Magnetfeldempfindlichkeit von insbesondere magnetisch vorgespannten Induktivitätssensoren kann auch für eine grobe Strommessung ausgenutzt werden. Hierzu ist anhand Figur 10 und 11 die geometrische Anordnung des Schaltgerätes nach
Figur 1 wiedergegeben, bei der im Bereich der Magnetspule 8 ein Induktivitätssensor 60' in 2 mm Abstand zur Gehäuseaußenseite angeordnet ist. Zugeordnet ist dem Induktivitätssensor 60' wiederum ein Permanentmagnet 11' mit feldverstärkendem Eisenplättchen 12'. Speziell aus Figur 11 wird deutlich, daß mit dem Induktivitätssenstor 60' durch die Magnetfeldbestimmung an der Auslöserspule eine grobe Strommessung möglich ist, da durch die magnetische Vorspannung des Sensors dessen Empfindlichkeit erhöht ist.
Unterschiedliche Stromverläufe wurden mit einer elektrischen Last an 220 V WechselSpannung mit verschiedenen Leistungsstufen simuliert und ergeben sich aus den Figuren 12 bis 14 als Meßoszillogramme . Man erhält eine relativ gute Proportionalität des Sensorsignals IIS zum genauen Strommeßsignal Ist einer Stromzange. Die relative Abweichung der Meßsignalverläufe beträgt im Beispiel weniger als 20 %. Voraussetzung hierfür ist, daß durch eine stabile Generatorfrequenz und Generatoramplitude die Null-Differenzspannung tatsächlich auf 0 V abgeglichen wird.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der angegebenen Miniatur- Induktivität besteht bei Schaltgeräten als Näherungs- oder Winkelsensor, wenn als Geberelement ein Permanentmagnet benutzt wird. Dies wird anhand Figur 15 verdeutlicht.
Die Figur 15 zeigt im einzelnen die geometrische Zuordnung eines Induktivitätssensors 60'' zu einem drehbar gelagerten Permanentmagneten 11''. Das Induktivitätssignals des Sensors 60'' kann durch die Auswerteschaltung in Figur 3 weiter ver- arbeitet werden und ist als Oszillogramm in Figur 16 dargestellt. Figur 16 zeigt das oszillographisch gemessene Spannungssignal Ws in Abhängiggkeit vom Drehwinkel . Das Sensorsignal ist vom Abstand zwischen Sensor 60'' und Permanentmagnet 11' abhängig und seine Periode beträgt 180° des Drehwinkels. Für die Halbperiode von 90° sind daher der Drehwinkel und das Sensorsignal eindeutig einander zugeordnet.
Der Meßsignalverlauf in Figur 16 wird durch die Abstimmung der Auswerteschaltung beeinflußt und hat in etwa einen Sinusquadratverlauf. Dabei erstreckt sich der empfindliche Meßbereich über einen Drehwinkelbereich von etwa 25°. Während das Meßsignal im Intervall von 60 bis 120° entsprechend Figur 16 vom Sinusquadratverlauf stark abweicht, zeigt die Sensor- induktivität im Intervall von 0 bis 90° Drehwinkel einen monoton ansteigenden Verlauf zwischen L0 ~ 185 μH auf L90 ~ 90 μH. Aufgrund des starken Permanentmagnetfeldes und des daraus resultierenden großen Spannungshubes des Meßsignals von 2 V ist die Störempfindlichkeit durch magnetische Fremd- felder relativ gering.
Der mit der beschriebenen Miniatur- Induktivität aufgebaute Winkelsensor kann also zur Schaltzustandserkennung eines Motorschutzschalters eingesetzt werden, wobei die Schalt- Stellung und die Kurzschlußauslösung durch die Drehwinkel- Stellung der zugehörigen Wellen gekennzeichnet sind.
Insbesondere die Auswerteschaltungen in Figur 3 und 5 zeigen, daß der elektronische Aufwand bei den beschriebenen Anwen- düngen der Miniatur- Induktivitäten gering ist und sich im wesentlichen auf einen Rechteckgenerator mit hoher Frequenz- und Amplitudenkonstanz bei geringer Strombelastung und einen Differenzverstärker zur Erzeugung eines auf 0 V bezogenen AusgangsSignals bezieht. Damit ist ein Schaltgerät mit Positionsüberwachung realisiert, das nur einen geringen zusätzlichen Aufwand benötigt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanisches Schaltgerät mit wenigstens einem beweglichen Kontakt und zugehörigem Antrieb in einem Geräte- gehäuse, mit Mitteln zur berührungslosen Erkennung des
Schaltzustandes, wobei Magnetfeldsensoren vorhanden sind, die an geeigneter Stelle innerhalb und/oder außerhalb des Gerätegehäuses angeordnet sind und die mit jeweils einem von mehreren Schaltzuständen verknüpfte Magnetfeldwerte erfassen, wobei das Gerätegehäuse einen zur Handauslösung bestimmten Schaltgriff aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Miniatur-Induktivität (60, 60a, 60b, 60', 60'') mit Ferritkern als hochempfindlicher Magnetfeldsensor vorhanden ist, mit der die Position des Schalt- griffes (52) oder eines damit gekoppelten Teiles (51) überwacht wird und/oder der im Schaltgerät (1) fließende Strom erfaßt wird.
2. Schaltgerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß bei der Miniatur- Induktivität (60, 60a, 60b, 60', 60'') die Permeabilität des Ferritkerns durch die Wirkung von äußeren Magnetfelder verändert wird und daß bei ausgeprägter axialer Geometrie eine deutliche Feldrichtungsempfindlichkeit vorliegt .
3. Schaltgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Induktivitätswert (L, L1; L2) der Miniatur- Induktivität (60, 60a, 60b) mit einer Oszillatorschaltung (100) ausgewertet wird.
4. Schaltgerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Induktivitätssensor (60) mit einem zugeordneten Permanentmagneten (11) und einem zusätzlichen Eisenblech (12) zur Feldverstärkung zwecks Erfassung des Ein-/Ausschaltzustandes des Schaltgriffes (52) neben einem ferromagnetischen Antriebsbügel (51) für den Schaltgriff (52) angeordnet ist.
5. Schaltgerät nach Anspruch 3, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Auswerteschaltung (100) durch einen Rechteckgenerator (101) gespeist wird und daß das Ausgangssignal über einen Differenzverstärker (111) weiterverarbeitet wird.
6. Schaltgerät nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Differenzschaltung zweier Induktivitätssensoren (60a, 60b) vorhanden ist.
7. Elektromechanisches Schaltgerät nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, wobei eine Magnetspule als Auslösemittel vorhanden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Magnetfeldempfindlichkeit der Miniaturinduktivität (60'') für eine Strommessung in der Auslösespule (8) ausgenutzt wird.
8. Schaltgerät nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Miniaturinduktivitäten
(60'') als Näherungs- und/oder Winkelsensor verwendbar sind, wenn als Geberelement ein Permanentmagnet (11'') vorhanden ist, der mit dem zu überwachenden Bauteil des Schaltgerätes
(1) verbunden ist.
EP98910592A 1997-02-26 1998-02-09 Elektromechanisches schaltgerät Expired - Lifetime EP0963596B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19707724 1997-02-26
DE19707724 1997-02-26
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EP0963596A1 true EP0963596A1 (de) 1999-12-15
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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP98910592A Expired - Lifetime EP0963596B1 (de) 1997-02-26 1998-02-09 Elektromechanisches schaltgerät

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US (1) US6104592A (de)
EP (1) EP0963596B1 (de)
JP (1) JP4358308B2 (de)
DE (1) DE59805512D1 (de)
WO (1) WO1998038666A1 (de)

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