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Magnetischer Impulsgeber Die Erfindung betrifft einen magnetischen
Impulsgeber mit einem eine magnetische Quelle sowie einen Luftspalt für den Durchgang
eines Körpers aus magnetischem Material, wie Eisen, aufweisenden Primärkreis, einem
eine magnetische Quelle sowie einen Luftspalt aufweisenden Sekundärkreis und einem
dem Luftspalt des Sekundärkreises zwecks Auslösung eines Schaltvorganges beim Durchgang
des Körpers durch den Primärkreisluftspalt und bei der dadurch verursachten Feldschwächung
im Sekundärkreisluftspalt zugeordneten Anker.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den sehr nahen Vorbeigang
eines Eisenkörpers mit einer Empfindlichkeit festzustellen, die groß genug ist,
um sogar einen mechanischen Schaltvorgang auszulösen, wobei dem Eisenkörper zum
einwandfreien Arbeiten der Vorrichtung nach der Erfindung keine besondere Einrichtung
hinzugefügt zu werden braucht.
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Es ist bekannt, daß, wenn man in den Spalt eines Magnetkreises einen
Eisenkörper bringt, sich eine Änderung des magnetischen Widerstandes dieses Kreises
und damit eine Änderung des ihn durchsetzenden Magnetflusses ergibt. Man hat bereits
versucht, diese Wirkung zur Feststellung des Vorbeiganges eines Eisenkörpers an
einem gegebenen Punkt, beispielsweise des Vorbeiganges eines Eisenbahnwagens an
einem Punkt der Schiene, auszunutzen. Aber die bisher bekannten Vorrichtungen haben
nur unzureichende Empfindlichkeiten und sind praktisch nicht in der Lage, einen
noch so geringe Kräfte erfordernden Vorgang auszulösen.
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Außerdem hat man bereits besonders für die Anwendung bei Eisenbahnen
sogenannte »magnetische Pedale« vorgeschlagen, die in einem magnetischen Kreis eine
so große Änderung des Magnetflusses bestimmen, daß ein Vorgang ausgelöst wird, wenn
ein in die Schiene eingesetzter Induktor und ein Magnetkreis, der an dem Fahrzeug
angebracht ist, sich aneinander vorbeibewegen.
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Auch ist eine Einrichtung bekanntgeworden, bei der zwei magnetische
Quellen in magnetischer Parallelschaltung auf eine Empfangseinrichtung arbeiten.
Wenn sich bei dieser Anordnung kein Eisenkörper in einem Luftspalt befindet, überwiegt
der Magnetfluß der einen Quelle, während beim Durchgang eines Eisenkörpers infolge
der hierdurch bewirkten Verminderung des magnetischen Widerstandes des Luftspaltes
eine Verstärkung des von der anderen Quelle erzeugten Magnetflusses eintritt, wobei
dieser verstärkte Magnetfluß den in umgekehrter Richtung strömenden Magnetfluß der
ersten Quelle in der Empfangseinrichtung aufheben und somit in der letzteren einen
Schaltvorgang bewirken soll. Diese bekannte Einrichtung ist deswegen kompliziert
herzustellen, weil die Größe von zwei vorgesehenen Luftspalten genau berechnet und
abgestimmt werden muß.
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Ferner ist ein elektromagnetischer Impulsgeber mit einemmagnetischen
Primärkreis und einem Sekundärkreis vorgeschlagen worden, der so arbeitet, daß beim
Durchgang eines Eisenkörpers durch den Luftspalt des Primärkreises eine Umkehrung
des Magnetflusses im Sekundärkreis erfolgt, auf die ein magnetisiertes Schaltstück
ansprechen soll.
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Dagegen wird die der Erfindung gestellte Aufgabe auf besonders einfache
und vorteilhafte Weise dadurch gelöst, daß der durch die im Primärkreis angeordnete
und aus wenigstens einem Permanentmagneten bestehende magnetische Quelle erzeugte
Fluß durch einen einen Luftspalt aufweisenden magnetischen Nebenschluß wesentlich
konstant gehalten wird und die aus einem Permanentmagneten bestehende magnetische
Quelle des Sekundärkreises im Primärkreis eingeschaltet ist, wobei der durch den
Eintritt eines Eisenkörpers in den Luftspalt des Primärkreises erhöhte Fluß einen
magnetischen
Spannungsabfall am Sekundärmagneten bewirkt; durch
welchen der im Sekundärkreis erzeugte Fluß entsprechend vermindert und der auf eine
solche Verminderung ansprechende Anker betätigt wird.
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Bei einem solchen Impulsgeber sind zweckmäßig im Primärkreis beiderseits
des Sekundärkreises kleine Luftspalte vorgesehen, durch die die magnetischen Verluste
zwischen den Eisenteilen des Primärkreises verringert werden. Auch empfiehlt es
sich, daß die Nebenschlußkreise die den Luftspalt des Primärkreises durchsetzenden
Kraftlinien auf einen Bereich konzentrieren, der den Weg des Eisenkörpers enthält.
Der im Sekundärkreis erzeugte Fluß wird vorzugsweise durch eine zusätzliche Erregerspule
zeitweilig derart erhöht, daß er zum Anziehen des Ankers entgegen der Wirkung einer
Rückholfeder befähigt wird: Auch kann im Sekundärkreis in an sich bekannter Weise
eine Wicklung vorgesehen sein, in der bei Annäherung eines Eisenkörpers an den Luftspalt
des Primärkreises eine elektromotorische Kraft induziert wird und die mit einer
auf diese elektromotorische Kraft ansprechenden Einrichtung verbunden sein kann.
Im übrigen wirkt die Wicklung zweckmäßig auf den durch den Anker gesteuerten Schalter
ein.
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Es ergibt sich durch eine derartige Anordnung, daß eine maximale Erhöhung
des Magnetflusses im Primärkreis beim Durchgang eines Eisenkörpers durch den Luftspalt
des Primärkreises eintritt und daß diese maximale Flußerhöhung einen starken magnetischen
Spannungsabfall im Sekundärmagneten bewirkt. Dieser hat eine gegen Null gehende
Verminderung des Kraftflusses zwischen dem Anker und dem Sekundärkreis zur Folge.
Schon bei verhältnismäßig kleinen Änderungen des magnetischen Widerstandes des Primärkreises
ergeben sich also verhältnismäßig große Kraftflußänderungen zwischen dem Anker und
dem Sekundärkreis. Dies bedeutet eine für die Zwecke der Erfindung vorteilhafte
große Ansprechempfindlichkeit der Vorrichtung; insbesondere wird hierdurch die Erzielung
eines erheblichen Unterschiedes zwischen dem Kraftfuß, der zum Festhalten des Ankers
ausreicht, und zwischen dem - Wert des Kraftflusses ermöglicht, der mit Sicherheit
das Abfallen des Ankers zur Folge hat.
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Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Beschreibung der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung besser verständlich.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der einfachsten Ausführungsform des
magnetischen Impulsgebers nach der Erfindung, Fig. 2 eine Kurve des Magnetflusses
als Funktion der magnetomotorischen Kraft eines Permanentmagneten, aus der das Prinzip
der Vorrichtung nach der Erfindung hervorgeht, Fig. 3 eine schematische Darstellung
einer anderen Ausführungsform, die eine bessere Empfindlichkeit als die Ausführungsform
nach Fig. 1 hat, Fig. 4 und 4a vergleichsweise Ansichten, die zeigen, wie eine Konzentration
des Magnetflusses in einer besonderen Anwendungsform erzielt wird, und Fig. 5 eine
Teilansicht einer konstruktiven Einzelheit einer erfindungsgemäßen magnetischen
Vorrichtung, der eine elektronische Steuereinrichtung zugeordnet ist.
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In der vereinfachten Ausführungsform nach Fig. 1 st ein Permanentmagnet
1 zwischen zwei Eisenteilen 2 :und 3 angeordnet, die in der Nähe der Bahn des Eisen-
-körpers, dessen Vorbeigang festgestellt werden soll, in ebenen Platten
4 und 5 enden. Die Eisenteile 2 und ,3 bieten dem vom Magneten 1 erzeugten
Magnetflulä zwei geschlossene Kreise, die beide; -wie mit dem' Pfeil F, angedeutet,
diesen Magneten durchldan. Der eine Weg, der hier mit Primärkreis bezeichnet und
durch die Pfeile F2, F3 und F4 angedeutet ist verläuft durch einen zweiten zwischen
zwei zurückgebogenen Abschnitten des Eisenteiles 3-4 eingesetzten Permanentmagneten
6 und durch den zw* schen den Platten 4 und 5 gebildeten Spalt, was in Fig.
1 durch die den Magnetfuß im Spalt darstellenden Kraftlinien f angedeutet ist. Der
Primärkreis wird also in Wirklichkeit nur von einem Teil des Magnetflusses der in
Reihe liegenden Magneten 1 und 6 durchflossen.
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Der zweite als Sekundärkreis bezeichnete und durch die Pfeile F5,
F6 und F7 angedeutete Weg verläuft durch eine bewegliche Platte 7 (Anker), die in
O schwenkbar ist. Im dargestellten Beispiel hat der Anker 7 durch eine bewegliche
Kontaktfeder 8 das Bestreben, sich von den Eisenteilen 2 und 3 abzuheben, wobei
die bewegliche Kontaktfeder 8 unter Einwirkung des Ankers 7 gegen den einen oder
anderen der beiden festen Kontakte 9 und 10 gelegt werden kann.
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Außerdem ist im dargestellten Beispiel der Magnet6 durch einen Abschnitt
des Eisenteiles 3, das von dem die Platte 4 bildenden Abschnitt durch einen
kleinen -Spalt 11 getrennt ist, stark nebengeschlossen. Wie sich später zeigen
wird, soll diese Anordnung die magnetomotorische Kraft des Magneten 6 möglichst
konstant halten.
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Zum Verständnis der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
muß man sich zunächst eine besondere Eigenschaft der Permanentmagneten vergegenwärtigen.
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Dazu sei in Fig. 2 AB die Magnetisierungskurve eines bestimmten
Magneten, OA die Remaüenz, O& die Koerzitivkraft.
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Es ist bekannt, daß man einen Magneten herstellen kann, dessen charakteristischer
Arbeitspunkt auf einer Geraden CD liegt, die Entmagnetiserungs-;erade genannt
wird.
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Bei einer ganz bestimmten Einstellung liegt der charakteristische
Arbeitspunkt bei M.
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MN ist der Gesamtmagnetfluß 92 im Inneren des Magneten;
ON ist die an den Enden des Magneten verfügbare magnetomotorische Kräfte.
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Bei neuzeitlichen Magneten ist die Neigung der seraden CD sehr
gering. Daraus ergibt sich, daß )ei sehr geringen Änderungen des Magnetflusses m
Magneten eine große Veränderung von e auftritt.
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Wenn der Magnetfluß 99 erhöht wird, nimmt die nagnetomotorische
Kraft e ab, kann den Wert 'lull erreichen und sogar negativ werden, wenn der 'unkt
M rechts der Achse 0A zu liegen kommt:' Nachfolgend sollen die sehr geringen
Änderungen an p nicht berücksichtigt werden, um die Beechnungen nicht unnötig zu
erschweren, so daß er Magnetfluß 99 im Magneten als konstant angeehen wird.
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Wenn man den vom Magneten 1 nach Fig. 1 geeferten Gesamtmagnetfluß
mit 99m, den den Anker 7 urchströmenden Magnetfluß mit pp und den den rimärkreis
und insbesondere den Spalt zwischen en Platten 4 und 5 durchsetzenden Magnetfluß
tit 0. bezeichnet, so hat man bei Nichtbeachtung
der geringen
Änderungen von 99. und der Magnetverluste immer
(1) Unter diesen Bedingungen hat die Verminderung des magnetischen Widerstandes
des Primärkreises, die durch das eine Erhöhung von 0" mit sich bringende Eintreten
eines Eisenkörpers in den Spalt 4-5 hervorgerufen wird, eine dem absoluten Wert
nach gleiche Verminderung von pp zur Folge.
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So ist also 0. sowohl vom magnetischen Widerstand des Primärkreises
als auch von der Summe der magnetomotorischen Kräfte e des Magneten 1 und E des
Magneten 6 abhängig. Dadurch, daß man die Abmessungen des Magneten 6 im Verhältnis
zu den Abmessungen des Magneten 1 ausreichend groß wählt oder weitere Magneten in
Reihe mit den Magneten 6 und 1 legt, kann man einen sehr großen Wert für E und damit
für e -I- E und somit auch für 0. erzielen.
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Wenn man außerdem auch bei Anwesenheit eines Eisenkörpers im Spalt
4-5 den Wert E konstant halten kann, hängt der neue Wert des Magnetflusses (hu allein
von der Verminderung des magnetischen Widerstandes des Primärkreises ab.
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Der in Fig. 1 dargestellte Nebenschluß des Magneten 6 hat den Zweck,
die magnetomotorische Kraft dieses Magneten möglichst konstant zu halten. Infolge
des durch den Magneten 6 in den Nebenschluß geschickten sehr großen und konstanten
Magnetflusses verursachen die geringfügigen Änderungen des Magnetflusses
0. tatsächlich nur eine vernachlässigbare Änderung des Gesamtmagnetflusses
des Magneten 6.
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Wenn außerdem 0" gegen g;#p groß ist, bedeuten natürlich gleiche absolute
Änderungen dieser beiden Magnetflüsse, da ihre Summe konstant ist, eine prozentual
große Änderung von ggp und eine prozentual kleine Änderung von Wenn beispielsweise
0. = 10 und (pp = 1 sind, so hat man T. = 10 + 1 = 11, und eine Vergrößerung
von 0. um 10% ergibt 0. = 11 und op=0.
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Mit jeweiligen Werten von 1 und 100 könnte man durch eine Erhöhung
von 0. um nur l0/0 qgp zum Verschwinden bringen.
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Unter diesen Bedingungen ist die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Vorrichtung leicht verständlich: Wenn im Spalt 4-5 kein Eisenkörper vorhanden ist,
herrscht im Sekundärkreis ein Magnetfluß, der leicht so gewählt werden kann, daß
er die Platte 7 in der angezogenen Stellung, in der die Kontaktfeder 8 gegen den
festen Kontakt 9 anliegt, festhält.
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Sobald nun ein Eisenkörper in den Spalt 4-5 eintritt, nimmt der magnetische
Widerstand des Primärkreises ab, wodurch eine Erhöhung des Magnetflusses im Primärkreis
und eine dem absoluten Wert nach gleiche Abnahme des Magnetflusses im Sekundärkreis
eintritt. Wenn die Werte dieser beiden Magnetflüsse in der oben angegebenen i Weise
gewählt sind, so kann diese Verminderung des Magnetflusses im Sekundärkreis dazu
ausreichen, daß der Anker 7 abfällt und der bewegliche Kontakt 8 sich vom festen
Kontakt 9 abhebt und gegen den festen Kontakt 10 legt. Dieses Umschalten kann für
i alle möglichen Zwecke herangezogen werden.
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In der Au--'ührungsform nach Fig.3 sind statt des Magneten 6 in Fig.
1 zwei mit dem Magneten 1 in Reihe liegende und beiderseits desselben symmetrisch
angeordnete Magneten 12 und 13 vorhanden. Außerdem ist jeder der Magneten 12 und
13 durch Eisenteile 14 bzw. 15, die die zugeordneten Magneten 12 bzw. 13 ganz oder
teilweise umgeben, nebengeschlossen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie den
Magnetfluß 0. auf den Bereich unmittelbar' oberhalb der Platten 16 bzw. 17
und damit auf die Zone konzentriert, in der der Vorbeigang des festzustellenden
Eisenkörpers stattfindet.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Eisenbahnen kann
man in den vergleichsweisen, die Vorrichtung nach Fig. 3 im Profil darstellenden
Fig. 4a und 4 feststellen, daß der Hauptmagnetfluß 0. in Fig. 4 auf den oberen
Bereich des Schienenkopfes, also auf die Zone, die der Spurkranz der Räder durchläuft,
konzentriert ist. Wenn dagegen der Nebenschluß der Magneten 12 und 13 nicht durch
diese bis zur Höhe der Platten 16 und 17 umgebenden Eisenteile erfolgt, wird ein
Teil des Magnetflusses, wie in Fig. 4a mit 18 angedeutet, nach unten abgelenkt,
wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung erheblich herabgesetzt wird.
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Ein genaues Aufzeichnen der Kraftlinien ermöglicht die Bestimmung
der günstigsten Lage der Nebenschlüsse. In der Praxis können bei sehr großem Magnetfluß
Of die die Platten umgebenden Eisenteile wenige Millimeter von diesen entfernt angebracht
sein und den Magnetfluß auf den gewünschten Bereich konzentrieren. Die Ergänzung
des Magnetflusses wird durch die Einstellvorrichtung, die eine einfache Eisenschraube
sein kann, absorbiert.
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Diese Anordnung ergibt wesentlich bessere Ergebnisse und gestattet
eine Verkleinerung der Magneten sowie des allgemeinen Raumbedarfes der Vorrichtung.
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An Hand der Fig. 1 wurde eine besondere Betätigungsart des Ankers
7 gezeigt, bei der dieser durch eine elastische Einrichtung, wie die bewegliche
Kontaktfeder 8, ständig in Richtung der abgehobenen Stellung gedrückt wird. Bei
gewissen Anwendungsarten, insbesondere für die Feststellung des Vorbeiganges von
Rädern von Eisenbahnwagen mit großer Geschwindigkeit, hat diese Anordnung einen
sehr kurzen Umschaltvorgang zur Folge, weil der sehr schnelle Wiederaufbau des Magnetflusses
im Sekundärkreis den Anker sogleich wieder anzieht.
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Bei diesen Anwendungsarten ist daher die in Fig. 3 dargestellte Bauart
zweckmäßig, in der eine beispielsweise um das Eisenteil 3 des Magneten 1 liegende
Erregerspule 19 vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Platte 7 nicht
einfach durch den Wiederaufbau des normalen Magnetflusses im Sekundärkreis erneut
angezogen werden. Das erneute Anziehen wird in dem gewünschten Augenblick durch
einen in die Erregerspule 19 geschickten Gleichstromimpuls bewirkt, der den Normalwert
des Sekundärflusses g?p so stark erhöht, daß das Anziehen des Ankers 7 sichergestellt
ist.
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Auf diese Weise kann man ohne Rücksicht auf die Vorbeigangsgeschwindigkeit
der Räder die Kontakte so lange in abgefallener Stellung halten, wie es für ein
einwandfreies Arbeiten der von diesen Kontakten gesteuerten Einrichtungen notwendig
ist.
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In der in Fig. 5 dargestellten abgeänderten Ausführungsform hat die
erfindungsgemäße Vorrichtung noch zusätzliche magnetische Trennflächen, die beispielsweise
aus dünnen, in schmale Spalte 20 und 21
beiderseits des Magneten
1 zwischen diesem und den Enden 22, 23 der Eisenteile des Primärkreises eingesetzten
Messingplättchen bestehen. Diese Trennflächen sind so berechnet, daß der zusätzliche
magnetische Gesamtwiderstand, den sie in dem vom Mägnet$uß 0" durchsetzten Primärkreis
erzeugen, einen Spannungsabfall ergibt, der gleich der magnetomotorischen Kraft
e des Magneten 1 ist: Da der Potentialabfall in den Grenzflächen entgegengesetzt
gleich der Potentialdifferenz e ist, ist das Potential des rechten Joches 22 identisch
mit dem Potential des linken Joches 23. Diese Anordnung ermöglicht die Aufhebung
des Magnetflußverlustes zwischen den beiden Jochen 22 und 23. Da der Wert von e
gegenüber der magnetomotorisehen Kraft E des oder der in Reihe mit dem Magneten
1 im Primärkreis liegenden Magneten sehr klein ist, ist die Wirkung der magnetischen
Trenn-- flächen 20 und 21 auf das einwandfreie Arbeiten der Vorrichtung vernachlässigbar
klein.
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In Fig. 5 ist außerdem eine Wicklung 24 dargestellt, die um
eines der Eisenteile des Sekundärkreises liegt und deren Enden mit dem Eingang einer
elektronischen Vorrichtung 25 verbunden sind, die die bei Änderungen des Magnetflusses
im Sekundärkreis in der Wicklung 24 induzierten elektromotorischen Kräfte feststellt
und verstärkt. Die in der Wicklung 24 induzierten elektromotorischen Kräfte sind
um so größer, je größer die Vorbeigangsgeschwindigkeit des Eisenkörpers im Spalt
des Primärkreises ist.
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Diese Ausführungsart läßt sich vorteilhaft anwenden, wenn sich die
Eisenkörper, deren Vorbeigang festgestellt werden soll, mit großer Geschwindigkeit
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbeibewegen. Bei kleineren Geschwindigkeiten
können dagegen die elektromotorischen Kräfte zu schwach werden, um von der elektronischen
Einrichtung 25 festgestellt werden zu können. Dann ist es zweckmäßig, den Anker
7 beizubehalten, dessen plötzliches Abfallen eine schnelle und nennenswerte Änderung
des Sekundärflusses erzeugt, was dann ein einwandfreies Ansprechen der elektronischen
Einrichtung 25 auch bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten gewährleistet.
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In der Beschreibungseinleitung wurde darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße
magnetische Vorrichtung für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten bei Eisenbahren geeignet
ist. Ihre Verwendung ist jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann für die verschiedenstartigen Geräte benutzt werden und zahlreiche
Aufgaben lösen. Nur einige Beispiele hierfür seien angegeben Das Zählen von Teilen
und Gegenständen aus Eisen, von Loren oder Fahrzeugen usw.; die Feststellung des
Vorbeiganges von Geräten, wie Aufzügen, Laufkranen usw. an bestimmten Punkten und
ganz allgemein die Überwachung der Stellung beweglicher Teile an Werkzeugmachinen
usw.
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Es kann auch die elektromagnetische Kraft des oder der in Reihe mit
dem Magneten l liegenden Magneten durch eine von einem Gleichstrom durchflossene
Spule auf einem etwa konstanten Wert gehalten werden. Aus Sicherheitsgründen zieht
man jedoch besonders bei der Anwendung bei Eisenbahnen die beschriebene Ausführungsart
mit nebengeschlossenen Magneten vor. Bei der Anwendung bei Eisenbahnen kann man
in gewissen Fällen die Schiene selbst als einen Teil. des Primärkreises verwenden.
Wenn aber die Schiene von Starkströmen durchflossen werden kann, was z. B: bei elektrischem
Antrieb bei Blocksystemen mit Schienenstrom usw. der Fall sein kann, ist jedoch
von dieser Ausführung abzuraten. Solche Ströme können nämlich parasitäre Magnetflüsse
auftreten lassen, die unmittelbar in den Primärkreis ei4-a treten und die einwandfreie
Arbeitsweise der 'Vorrichtung stören können. In diesem Falle ist es`; _n bracht,
das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zu verwenden, das innerhalb oder außerhalb der
Schiene parallel zu dieser, wie in Fig. 4 angedeutet; an_gebracht wird.