DE3246739A1

DE3246739A1 - Schaltschuetz mit flussfuehler

Info

Publication number: DE3246739A1
Application number: DE19823246739
Authority: DE
Inventors: Ronald Eric Charlottesville Va. Gareis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-12-21
Filing date: 1982-12-17
Publication date: 1983-06-30
Also published as: GB2112213A; GB2112213B

Description

General Electric Company 9001-21-IY-2454/2452

Beschreibung

Ein elektromagnetisches Relais oder Schaltschütz besteht in seiner einfachsten Form aus einem magnetischen Kreis mit einem feststehenden Kern, einem bewegbaren Anker und einem oder mehreren Luftspalten , einer elektrisch erregbaren Betätigungsspule, einen oder mehreren Kontaktpaaren und Federn, die den Anker in seine Ruhelage zurückdrücken . Wenn eine Spannungsquelle mit ausreichender Spannung mit der Betätigungsspule verbunden wird, erzeugt der durch die Spule fließende Strom einen Fluß in dem magnetischen Kreis. Wenn der Fluß einen Wert erreicht, bei dem die magnetische Kraft auf den Anker die Federkraft und die Reibungskräfte überschreitet, wird der Anker in Richtung auf den feststehenden Kern beschleunigt. Da der Luftspalt zwischen dem feststehenden Kern und dem bewegbaren Anker abnimmt, verkleinert sich der magnetische Widerstand (Reluktanz) des magnetischen Kreises, wodurch der Fluß und die magnetische Kraft auf den Anker vergrößert werden. Obwohl die der Ankerbewegung entgegengesetzte Federkraft ebenfalls zunimmt, ist deren Vergrößerung im wesentlichen linear über dem Bewegungsbereich, wogegen der Flußanstieg umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Strecke bzw. des Abstandes ist. Demzufolge wird bei einem minimalen Abstand (Luftspalt) des Ankers von dem feststehenden Kern eine sehr starke magnetische Kraft auf den Anker ausgeübt.

Zwar ist die Kraft auf den Anker selbst nicht nachteilig und in einigen Fällen nützlich, da sie gewährleistet, daß die geschlossenen Kontaktstücke gegenüber externer Vibration unempfindlich sind, aber die in der Spule verbrauchte Energie ist bestenfalls unnütz und schlechtestenfalls kann sie die Spule überhitzen und diese beschädigen. Die Erkenntnis dieses Problems hat zu mehreren Lösungen geführt. Da der Betätigungsstrom notwendigerweise zunächst hoch ist, um genügend Fluß zu erzeugen, um den Anker aus seiner Ruhestellung zu bewegen, ist eine Verkleinerung des Betätigungsstroms

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praktisch unmöglich. Eine alternative Lösung besteht darin, die Ankerstellung abzutasten unter Verwendung eines sekundären Kontaktstückpaars und die Spulenerregung auf einen Haltestromwert zu senken. Eine weitere Alternative besteht darin, eine getrennte Haltestufe vorzusehen, die bei einer Kontaktschließung erregt wird, Beide Alternativen werden gegenwärtig verwendet und beide unterliegen Einschränkungen. Beispielsweise muß mit Sorgfalt gewährleistet sein, daß die magnetische Kraft genügend stark gehalten wird, um durch Schwingungen hervorgerufene Abfälle zu verhindern, die zu einer Schwingung des Kontaktstückes führen können. Die Lösung mit der Haltespule kann ebenfalls zusätzlichen Raum erfordern, wenn eine getrennte Spule auf dem Schaltschütz gebildet wird.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektromagnetisches Schaltschütz zu schaffen. Dabei soll das Erregungssystem des Schaltschützes verbessert werden. Weiterhin soll ein elektromagnetisches Schaltschütz geschaffen werden, das eine Magnetfluß-Abtastvorrichtung aufweist. Der Spulenstrom .soll auf einem minimalen erforderlichen Wert geregelt werden. Ferner soll eine konstante magnetische Kraft unabhängig von dem Luftspalt des Schaltschützes aufrecht erhalten werden.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein elektromagnetisches Schaltschütz mit einem festen Luftspalt in seinem magnetischen Kreis geschaffen, und in dem Luftspalt wird ein Magnetflußfühler angeordnet. Vorzugsweise weist der Flußfühler eine Halleffekt-Einrichtung auf. Der Luftspalt wird so eingestellt, daß er einen im wesentlichen konstanten Prozentsatz des Magnetflusses liefert, der durch die Fühlerfläche hindurchtritt. Da die Bewegung des Schützankers den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises und den gesamten Magnetfluß verändert, liefert der Fühler eine Anzeige für den Gesamtfluß in dem magnetischen Kreis. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Fühler in einem Luftspalt angeordnet, der in einer äußeren magnetischen Struktur gebildet ist, die die Erregerspule des Schaltschützes umgibt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein magnetisches Schaltschütz mit einem festen Luftspalt in seinem magnetischen Kreis geschaffen, und in dem Luftspalt wird ein Magnetflußfühler angeordnet= Eine steuerbare Spannungsquelle ictrd angeschlossen, um das Erregungspotential für die Spule des Schaltschützes zu liefern. Der Flußfühler ist elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden und so angeordnet^ daß eine Erhöhung des Flusses in dem magnetischen Kreis über einen vorbestimmten Wert hinaus eine Senkung des Erregungspotentials für die Spule bewirkt« Das Erregungspotential steigt an, wenn der Fluß unter den vorbestimmten Wert abfällt» Somit wird der Wert des durch die Spule erzeugten Magnetflusses auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten, der so gewählt ist, daß er eine ausreichende Kraft liefert, um die Kontaktschließung aufrecht zu erhalten ■, ohne daß übermäßige Energie in der Spule verbraucht wird«

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine vereinfachte Teilschnittansicht von einem Schaltschütz mit einer Flußfühlervorrichtung gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist eine graphische Darstellung des Spulenbetätigungsstroms des Schaltschützes als eine Funktion der Kontaktverschiebung und der Zeit.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Kraft auf einen Schützanker bei gextfählten Erregungswerten als eine Funktion der Kontaktposition„

Figur 4 ist eine Teilschnittansicht und zeigt die Flußfühlerlage und den Luftspalt in dem Schaltschütz gemäß Figur 1.

Figur 5 ist ein vereinfachtes schematisches Schaltbild von einem linearen Verstärkerkreis, der auf den Flußfühler anspricht zur Steuerung der Schützspulenerregung.

Figur 6 zeigt einen vereinfachten Schaltverstärkerkreis, der auf

einen Flußfühler zur Steuerung der Schützspulenerregung anspricht.

In Figur 1 ist in einer vereinfachten Schnittansicht ein elektromagnetisches Schaltschütz gemäß der Erfindung dargestellt. Das Schaltschütz enthält eine elektrisch erregbare Betätigungsspule 10, die in einer im wesentlichen kreisförmigen Anordnung um eine Mittelöffnung 12 herum gebildet sein kann. Die Spule 10 kann durch ein Isolierteil 14 gekapselt oder darauf ausgebildet sein. Eine zusätzliche gewickelte Isolation 16 wird gelegentlich auch verwendet, um die Spule 10 vor dem Einbau in die gebildete Isolation zu umwickeln. Die Spule 10 ist auf einem Magnetkernteil angebracht, der einen inneren Abschnitt 18, der sich in die Mittelöffnung 12 erstreckt, und einen äußeren Abschnitt aufweist, der ein Basisteil 20 und einen oberen U-förmigen Teil 22 umfaßt. Der äußere, U-förmige Teil 22 kann gegen das Basisteil 20 in seiner Lage gehalten sein durch ein äußeres Isoliergehäuse (nicht gezeigt), das im allgemeinen durch Schrauben an dem Basisteil 20 befestigt ist und das U-förmige Teil 22 nach unten drückt. Der innere Abschnitt 18 des feststehenden Kernteils ist üblicherweise an dem Basisteil 20 befestigt durch nicht gezeigte Schrauben oder durch Punktschweißen oder durch andere bekannte Mittel.

Ein bewegbarer Anker 24 erstreckt sich koaxial mit dem inneren Abschnitt 18 in die Mittelöffnung 12 der Spule 10. Das untere Ende des Ankers 24 paßt mit dem oberen Ende des inneren Abschnitts 18 zusammen. Vorzugsweise haben die zusammenpassenden Oberflächen des Ankers 24 und des inneren Abschnitts 18 eine konische Form, wodurch die magnetische Leitfähigkeit (Permeanz) des Arbeitsspaltes 44 zwischen den zwei Oberflächen weniger schnell mit der Bewegung zunimmt. An dem oberen Ende des Ankers 24 ist eine kreisförmige Platte oder Scheibe 26 befestigt. Eine Welle 28 erstreckt sich von der Scheibe 26 nach oben und weist eine daran befestigte Rückholfeder 30 und eine Kontaktfeder 32 auf. Ein bewegbarer Kontaktspitzenträger 34 ist an der Welle 28 zwischen den Federn 30 und angebracht. Der Kontaktspitzenträger 34 weist Kontaktspitzen 36

auf, die an jedem Ende davon angebracht sind und mit feststehenden Kontaktspitzen 38 zusammenpassen. Die feststehenden Kontaktspitzen 38 sind mit externen Stromkreisen verbunden und sind auf dem nicht gezeigten Isoliergehäuse angebracht, das alle vorstehend beschriebenen Bauteile des KontaktStückes in ihren jeweiligen Lagen hält. Eine genauere Beschreibung eines Schaltschützes, wie es im wesentlichen in Figur 1 gezeigt ist, ist aus der DS-PS 2 913 557 entnehmbar.

Es wird nun auf Figur 2 eingegangen, in der der Strom in der Betätigungsspule 10 als eine Funktion der Zeit und der Position des bewegbaren Ankers 24 -graphisch dargestellt ist. Die Kontaktposition oder Ankerposition ist durch die Linie 40 dargestellt, und der Strom der Erregungsspule ist durch die Line 42 dargestellt. Wenn an die Spule 24 eine Spannung angelegt wird, beginnt der Strom in der Spule schnell anzusteigen und erreicht einen ersten Spitzenwert zur Zeit ti, an welchem Punkt der Anker 24 in Richtung auf den inneren Abschnitt 13 des feststehenden Kernteils zu beschleunigen beginnt. Wenn sich der Anker bewegt, beginnt sich der variable Luftspalt 44 zu verkleinern, wobei der magnetische Widerstand (Reluktanz) in dem magnetischen Kreis, der den Kernteil und den Anker 24 umfaßt,, verändert wird, so daß der Spulenstrom tatsächlich in seinem Wert zu fallen beginnt. Etwa zur Zeit t2 treffen sich die Kontaktstücke 36 und 38, und der Anker muß nun entgegen sowohl der Rückholfeder 30 als auch der Kontaktfeder 22 nach unten gedrückt werden. Dieser erhöhte Widerstand bewirkt eine Verlangsamung der Änkerbewegung, und der Strom in der Spule beginnt anzusteigen, bis der Anker zur Ruhe kommt. Zur Zeit t3 hat der Anker seine Endposition erreicht und wird durch das Magnetfeld, das durch die Spule 10 erzeugt wird, in seiner Lage gehalten. Der Spulenstrom steigt jedoch weiterhin an, bis ein maximaler Stromwert erreicht ist, der durch die Größe des an die Spule angelegten Potentials und die Impedanz des Stromkreises bestimmt wird. Aus der Kurve in Figur 2 wird deutlich, daß für eine konstante angelegte Spannung die der Spule zugeführte Energie wesentlich größer sein kann, als sie erforderlich ist, um die Kontaktstücke in ihrer

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. 40·

Schließstellung zu halten. Deshalb ist es bei bekannten Einrichtungen üblich, ein zweites Paar von Kontaktstücken zu verwenden, die einen Widerstand in den Spulenkreis einfügen, um den der Spule zugeführten Erregungsstrom zu senken. Alternativ enthalten einige Systeme eine zweite Haltespule, die bei einer kleineren Spannung als die Betätigungsspule arbeitet.

Figur 3 zeigt eine Kurve der Kraft, die zum Bewegen des Ankers 24 erforderlich ist, als eine Funktion seiner Position. Die Linie 46 zeigt die lineare Krafterhöhung zum Bewegen des Ankers, die durch die Rückholfeder 30 erzeugt wird. Zwischen den Stellen C und B nimmt die Kraft mit fortschreitender Geschwindigkeit mit einer Steigung zu, die von der Federkonstanten abhängt. Am Punkt B, wenn die Spitzen berühren, übt die Kontaktfeder plötzlich eine Kraft auf die Spitzen aus, wodurch die Kraft von B auf B' springt. Die Kraft wächst dann vom Punkt B' bis zum Punkt A linear an, wo der Anker in seine Endstellung gezogen ist. Die Kurve 50 stellt den Verlauf der Kraft über der Position dar, die durch die Betätigungsspule 10 erzeugt ist, wenn sie mit einem konstanten minimalen Potential erregt ist, das notwendig ist, damit der Anker in Richtung auf seine Endposition beschleunigt. Die Line 50 minimaler Spannung stellt dar, daß die erzeugte Kraft der erforderlichen Haltekraft ziemlich konstant folgt, bis die Kontaktspitzen tatsächlich berühren und die Kontaktfeder eine Kraft auf den Anker auszuüben beginnt. An diesem Punkt nimmt die durch die Spule erzeugte Kraft mit einer viel höheren Geschwindigkeit bis auf einen Wert zu, der tatsächlich größer als erforderlich ist, um die Kontaktstücke in der Schließposition zu halten. Die Linie 52 stellt die Kraft über der Position dar, die durch die Kontaktspule 10 erzeugt wird, wenn sie bei ihrer Nennspannung erregt wird. Die Linie 52 verdeutlicht, daß die Spule tatsächlich merklich mehr Schließkraft erzeugen kann als erforderlich ist, um das Schaltschütz zu betätigen. Die gestrichelte Linie 54 stellt die Kraft als eine Funktion der Position dar, wenn die Schützspule 10 so erregt wird, daß ein konstanter Magnetfluß durch den Anker und den Kernteil aufrecht erhalten wird. Es ist demzufolge eine Aufgabe dieser

Erfindung, Mittel zu schaffen, um eine Messung des Ankerflusses zu erhalten, wodurch der Fluß auf einem konstanten Wert gehalten werden kann, um dadurch den Energieverbrauch in der Schützspule auf ein Minimum zu senken„

Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß der eine Schenkel des U-förmigen oberen Teils 22 mit einem Luftspalt zwischen sich und dem Basisteil 20 versehen· ist. Obwohl andere Stellen gewählt werden könnten für eine Anordnung dieses festen LuftSpaltes, so ist diese bestimmte Anordnung zweckmäßig aufgrund des Aufbaues eines üblichen Schaltschützes. In diesem Luftspalt 56 ist ein Magnetflußfühler angeordnet, wie beispielsweise eine Halleffekt-Fühlereinrichtung 58. Bekanntlich ist eine Halleffekt-Einrichtung ein Halbleiterkristall bzw. -Quarz, der eine Spannung über seinen gegenüberliegenden Anschlüssen erzeugt, die ein Produkt des zwischen den übrigen Anschlüssen fließenden Stromes und dem Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zum Strom ist. Eine geeignete Vorrichtung für einen derartigen Änwendungsfall ist von der Firma Sprague Electric Company unter deren Bezeichnung UGN-3501M verfügbar, die ein Halleffekt-Sensor mit linearer Ausgangsgröße ist. In der Schützanordnung fließt der durch die Spule 10 erzeugte Magnetfluß durch den Pfad, der durch den inneren Abschnitt 18, den Anker 24 und die zwei Schenkel des U-förmigen oberen Kernteils 22 gebildet ist, in die Basis und dann zurück zum inneren Abschnitt 18 des Kernteils. Beim Durchfließen dieser Schleife tritt der durch die Spule 10 erzeugte Magnetfluß sowohl durch den variablen Luftspalt zwischen dem Anker 24 und dem inneren Kernteilabschnitt 18, als auch durch den festen Luftspalt, in dem die Halleffekt-Fühlervorrichtung 58 angeordnet ist.

In Figur 4 ist eine Seitenansicht von demjenigen Abschnitt des Schaltschützes gemäß Figur 1 gezeigt, in dem die Hall-Vorrichtung 58 angeordnet ist. Es wird deutlich, daß sich der Luftspalt 56 über die Breite des Basisteils 20 erstreckt. Ein etwas vergrößerter Luftspaltabschnitt 59 ist zentral in dem herabhängenden Schenkelteil des oberen U-förmigen Abschnittes 22 gebildet. Die Hall-

Vorrichtung 58 ist in dem etwas vergrößerten Luftspalt 59 angeordnet. Der Fluß durch die Vorrichtung 58 kann durch Verändern des Luftspaltes 56 eingestellt werden.

Die Verwendung der in Figur 1 dargestellten Schützkonstruktion mit der Hall-Vorrichtung 58, die in einem Pfad angeordnet ist, um die Größe des durch die Spule 10 erzeugten Flusses zu überwachen, ermöglicht, daß die der Spule zugeführte elektrische Energie so geregelt werden kann, daß ein konstanter Ankerfluß aufrecht erhalten wird. Für die Praxis wurde gefunden, daß die Größe des Flusses auf einen Wert gerade ein wenig oberhalb der Größe des Flusses gebracht werden kann, die zur Erzeugung einer Haltekraft erforderlich ist, um das Schaltschütz in einer Schließposition zu halten. Schwingungen, die die Kontaktspitzen zu trennen versuchen, verändern auch den variablen Luftspalt 44, der seinerseits die Größe des Flusses in dem magnetischen Kreis beeinflußt. Jede leichte Verminderung im Fluß wird durch die Hall-Vorrichtung 58 abgetastet und führt zu einer Änderung in der durch die Vorrichtung 58 erzeugten Spannung. Diese Hall-Spannung kann dazu verwendet werden, den Magnetfeldfluß zu stabilisieren, um eine konstante Kraft auf den Anker 24 beizubehalten. Demzufolge kann die Hall-Vorrichtung 58 dazu verwendet werden, ein System mit geschlossener Regelschleife zu bilden, das den Magnetfluß auf einem ausreichenden Wert hält, um irgendwelche Kräfte, die die Kontaktspitzen auseinanderzudrücken versuchen, zu vermindern. Mit anderen Worten kompensiert das eine geschlossene Schleife bildende System automatisch irgendwelche zusätzlichen Kräfte, die die Kontaktspitzen zu öffnen versuchen.

In Figur 5 ist als ein Beispiel eine Schaltungsanordnung gezeigt für eine Verwendung der Hall-Vorrichtung 58, um die Erregung der Spule 10 zu steuern. Die Schaltungsanordnung gemäß Figur 5 wird als ein linearer Flußregler bezeichnet, da er linear auf die über der Hall-Vorrichtung 58 entwickelten Spannung als eine Funktion des durch die Vorrichtung abgetasteten Flusses anspricht. Von der Spule 10 ist der eine Anschluß mit einer nicht stabilisierten Speisespannungsklemme V2 verbunden, und ein zweiter Anschluß ist

durch eine steuerbare Stromquelle 60 mit einer negativen Spannungsrückleitung verbunden. Die steuerbare Stromquelle 60 kann eine transistorisierte Stromquelle oder irgendeine andere linear steuerbare Quelle sein. Ein Steueranschluß 62 der Stromquelle 60 ist über einen Widerstand 64 mit einer Eingangsklemme 66 verbunden, die einen Spulen-Haltebefehl empfangen kann. Wenn die Spannung an der Klemme 66 auf einen positiven Wert geht, wird der durch den Widerstand 64 fließende Strom in den Steueranschluß 62 eingegeben, wodurch die Stromquelle 60 erregt wird und dadurch ein Strom durch die Spule 10 fließen kann.

Die Hall-Vorrichtung 58 ist mit einer stabilisierten Leistungsquelle V1 verbunden, und ein Differentialverstärker 68 ist mit den Ausgangsklemmen der Hall-Vorrichtung verbunden, um die Änderung der Spannung über der Vorrichtung 58 als eine Funktion des durch die Vorrichtung 58 fließenden Flusses abzutasten. Der Differentialverstärker 68 kann irgendein bekannter Verstärker sein, wie beispielsweise der dargestellte Operationsverstärker mit einer widerstandsbehafteten Rückführung. Der Differentialverstärker 68 wandelt lediglich das zwei Enden aufweisende Signal von der Hall-Vorrichtung 58 in ein ein Ende aufweisendes Signal um. Ein Ausgangsanschluß 70 des Differentialverstärkers 68 ist mit einem Eingangsanschluß 72 des Fehlerverstärkers 74 verbunden. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, sind der Fehlerverstärker 74 und der Differentialverstärker 68 im wesentlichen gleich, und der einzige Unterschied liegt in den Werten der Widerstände, die zum Vorspannen der zwei Schaltungen verwendet werden, um den unterschiedlichen Werten der verstärkten Signale Rechnung zu tragen. Ein zweiter Eingangsanschluß 76 des Fehlerverstärkers 74 ist so angeschlossen, daß er ein einstellbares Flußbezugssignal von einem Schleiferarm eines Potentiometers 78 empfängt. Durch das Potentiometer 78 kann der Wert des in der Spule 10 zu bildenden Flusses auf irgendeinen gewünschten Wert eingestellt werden, wobei der gewünschte Wert für irgendein bestimmtes Schaltschütz durch Messung oder durch Rechnung unter Verwendung bekannter Methoden bestimmt wird. Ein Ausgangsanschluß 84 des Fehlerverstärkers 74 ist über eine Diode 86 mit dem Eingangsanschluß 62 der Stromquelle 60 verbunden.

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Wenn im Betrieb ein Haltebefehl an die Klemme 66 angelegt wird, wird die Stromquelle 60 in ihren leitenden Zustand gesteuert, wodurch Strom durch die Spule 10 fließen kann. Der Flußfühler oder die Halleffekt-Vorrichtung 58 liefert ein Differentialausgangssignal, das dem Wert des durch die Spule 10 erzeugten Flusses proportional ist. Dieses Differentialsignal wird durch den Verstärker 68 verstärkt und in ein ein Ende aufweisendes Signal umgewandelt, das dem Eingangsanschluß 72 des Fehlerverstärkers 74 zugeführt wird. Der Fehlerverstärker 74 vergleicht die relative Größe des Referenzsignales von dem Potentiometer 78 und das Ausgangssignal von dem Verstärker 68. Die Komponenten des Fehlerverstärkers 74 sind so gewählt, daß, wenn der gemessene Fluß über den durch das Potentiometer 78 festgelegten Wert anwächst, die am Ausgangsanschluß 84 entwickelte Spannung negativ wird in bezug auf die Haltebefehl spannung. Die Polarität der Diode 86 ist so, daß die Spannung an dem Anschluß 62 der kleineren der beiden Spannungen an dem Anschluß 66 oder der Spannung am Anschluß 84 folgt. Wenn also die Spannung am Anschluß 84 zu fallen beginnt, wird die Ansteuerung der Stromquelle 60 vermindert. Somit wird die Größe des Flusses in der Spule 10 auf den vorbestimmten Wert geregelt, der durch das Potentiometer 78 festgelegt ist.

In Figur 6 ist ein Schaltregler zum Steuern der Spule 10 dargestellt, der einfacher und wirksamer im Betrieb ist als der lineare Regler gemäß Figur 5. In dem Schaltregler ist die Hall-Vorrichtung 58 eine in üblicher Weise verfügbare Type, die gegenwärtig in magnetisch getriggerten Tastenfeld-Schaltern (Keyboard-Schaltern) verwendet werden. Sie besitzt die Charakteristiken, daß bei einem Fluß, der einen vorbestimmten maximalen Wert überschreitet, ihr Ausgang mit Erde bzw. Masse verbunden ist. Für einen Fluß, der kleiner als ein vorbestimmter minimaler Wert ist, ist ihr Ausgang geöffnet. Es gibt aber auch eine Totzone zwischen den maximalen und minimalen Schaltzuständen, und die Totbandbreite beträgt normalerweise etwa 30% des maximalen Flusses, bei dem der Ausgang in den geerdeten Zustand umschaltet. Eine derartige Vorrichtung ist von der Firma

Sprague Electric Company unter deren Bezeichnung UGN-3020T Halleffekt-Digitalschalter erhältlich.

Die Hall-Vorrichtung 58 ist wiederum zwischen eine stabilisierte Spannungsquelle VI und Erde bzw. Masse geschaltet« Die Spule 10 ist zwischen die nicht stabilisierte Spannungsquelle V2 und eine Stromquelle 60 geschaltet, die als ein Darlington-Transistorverstärker dargestellt ist, wobei die Quelle 60 mit der negativen Rückleitung verbunden ist. Da dieses System so ausgelegt ist, daß es in dem Umschaltbetrieb arbeitet, ist eine Freilauf-Diode 88 parallel zur Spule 10 geschaltet. Der Spulenhaitebefehl ist wiederum an einen Anschluß 66 angelegt und wird über den Widerstand 64 zum Eingangsanschluß 62 und zur Stromquelle 60 geführt. Der Äusgangsanschluß der Hall-Vorrichtung 58 ist ebenfalls mit dem Anschluß 62 verbunden. Wie aus Figur 6 deutlich wird, steuert der an den Anschluß 66 angelegte Haltebefehl die Stromquelle 60 in den leitenden Zustand, wodurch Strom durch die Spule 10 zu fließen beginnt. Der Strom baut in der Spule einen Fluß auf, der einen Fluß in dem Kernteil des Schaltschützes induziert, der durch die Hall-Vorrichtung 58 abgetastet wird. Wenn der Fluß den vorbestimmten Maximalwert erreicht, legt die Vorrichtung 58 den Anschluß an Erde bzw. Masse, wodurch die Stromquelle abgeschaltet und die Erregung von der Spule 10 weggenommen wird. Der Strom in der Spule 10 zirkuliert durch die Freilauf-Diode 88, nimmt graduell ab und gestattet, daß auch der Fluß abfällt. Wenn der Fluß unter den vorbestimmten Minimalwert abfällt, öffnet die Hall-Vorrichtung 58 die Stromkreise und gestattet, daß der Haltebefehl am Anschluß 66 wieder die Stromquelle 60 erregt. Diese Aus-Ein-Wirkung regelt den Fluß in dem Schaltschütz nach Art eines Zerhackers auf den gewünschten Wert. Das System minimiert somit die in einem Schaltschütz verbrauchte Energie durch Regelung des Stromes in der Betätigungsspule 10 auf einen Wert, der gerade ausreicht, um einen gewünschten Wert der magnetischen Kraft auf den Anker 24 aufrecht zu erhalten. Das System kompensiert automatisch Schwingungen oder andere externe Kräfte, die die Kontaktstücke zu öffnen versuchen,

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da jede derartige Kraft auch den Luftspalt 44 zu ändern versucht und den Flußwert in dem magnetischen Kreis des Schaltschützes beeinflußt. Die Aus-Ein-Schaltpegel können durch Verändern des Luftspaltes 56 eingestellt werden, um dadurch die Größe des auf die Vorrichtung 58 treffenden Flusses zu verändern.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

\ 1. Elektromagnetisches Schaltschütz _T
*■— gekennzeichnet durch einen magnetischen Kreis mit einem feststehenden Kernteil, einem bewegbaren Anker (24), einem variablen Luftspalt zwischen dem feststehenden Kernteil und dem bewegbaren Anker (24) und einem festen Luftspalt in dem Kernteil, eine elektrisch erregbare Betätigungsspule (10), die zur Ausbildung eines Arbeitsmagnetflusses in dem Kernteil angeordnet ist,

ein Federelement (30), das zum Vorspannen des Ankers (24) in eine Position angeordnet ist, in der der variable Luftspalt ein Maximum hat, und

einen Magnetflußfühler (58), der in dem festen Luftspalt (56) angeordnet ist/ zur Lieferung eines Ausgangssignals, das die Größe des Flusses in dem Kernteil darstellt.
2. Schaltschütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußfühler (58) einen Halleffekt-

fühler aufweist.
3. Schaltschütz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Kernteil einen inneren Abschnitt (18), das sich in die Spule (10) erstreckt, und einen äußeren Abschnitt aufweist, der sich um eine Außenfläche der Spule (10) herum erstreckt, wobei der feste Luftspalt (56) in dem äußeren Abschnitt angeordnet ist und der Anker (24) den magnetischen Kreis zwischen den inneren und äußeren Abschnitten des Kernteils schließt.
4. Schaltschütz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Abschnitt einen im wesentlichen ebenen Basisteil (20) und einen U-förmigen oberen Teil (22) aufweist, wobei der innere Abschnitt (18) zentral auf dem Basisteil (20) in einer nach oben verlaufenden Position angeordnet ist und die Spule (10) auf dem Basisteil (20) sitzt und eine Mittelöffnung (12) aufweist, in die der innere Abschnitt (18) hineinführt, wobei das ü-förmige Teil (22) über der Spule (10) angeordnet ist derart, daß gegenüberliegende Schenkel nach unten zum Basisteil (20) verlaufen, und daß eine Öffnung in dem U-förmigen Teil (22) vorgesehen ist zur Bildung eines Durchlasses für den Anker (24), wobei der feste Luftspalt (56) zwischen dem einen Schenkel des ü-förmigen Teils (22) und dem Basisteil (20) gebildet ist.
5. Schaltschütz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Luftspalt (56) durch einen vorbestimmten Abstand des einen Schenkels des U-förmigen Teils (22) von dem Basisteil (20) entlang ihrer vollen Verbindungsstelle ausgebildet ist, wobei ein vergrößerter Luftspalt (59) in der Mitte von dem festen Luftspalt (56) ausgebildet und die Hall-Vorrichtung (58) in dem vergrößerten Luftspalt (59) angeordnet ist.
6. Schaltschütz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Anker (24) eine konisch geformte Stirnfläche aufweist und der innere Abschnitt (18) eine passende Stirnfläche an dem variablen Luftstpalt besitzt.
7. Elektromagnetisches Schaltschütz mit einer elektrisch erregbaren Betätigungsspule zum Induzieren eines Magnetflusses in einem magnetischen Kernteil und mit einem Kontaktstücke tragenden, bewegbaren Anker,, der einen Teil des Flußpfades für den Kernteil bildet und der zwischen einer ersten Ruheposition und einer zweiten Betriebsposition beim Erregen der Spule mit einer Kraft bei*7egbar ist, die zur Größe des Flusses in dem Kernteil proportional ist_f gekennzeichnet durch Mittel (58) zum Abtasten der Größe des Flusses in dem Kernteil und zum Erzeugen eines diesen Magnetfluß darstellenden Signals und

elektrische Schaltungsmittel i60_ff 68) „ die zum elektrischen Speisen der Betätigungsspule (10) verbunden sind und die auf das Signal von den Flußabtastungsmitteln (58) ansprechen zum Verändern der elektrischen Erregung der Spule derart, daß die Größe des Flusses in dem Kernteil auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist.
8. Schaltschütz nach Anspruch 7„ dadurch gekennzeichnet, daß die Flußabtastmittel (58) einen Halleffekt-Fühler aufweisen.
9» Schaltschütz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsspule (10) eine Mittelöffnung (12) und der Kernteil einen inneren Abschnitt (18), der in die öffnung (12) hineinragt, und einen äußeren Abschnitt (22) aufweist, der um die Außenfläche der Spule herumführt, wobei der äußere Abschnitt (22) einen festen Luftspalt (56) aufweist und der Hall-Fühler (58) in dem festen Luftspalt (56) angeordnet ist.
10. Schaltschütz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schaltungsmittel eine steuerbare Stromquelle (60) zum Verbinden der Betätigungsspule mit einer Gleichspannungsquelle (V2) und einen linearen Verstärker (68) umfassen, dessen erster Eingangsanschluß zum Empfangen des Signals von den Flußabtastmitteln (58) angeschlossen ist und dessen zweiter Eingangsanschluß zum Empfangen eines Signales angeschlossen ist, das eine gewünschte Größe des Flusses in dem Kernteil darstellt, wobei der Verstärker (78) so geschaltet ist, daß er ein Signal zur Steuerung der Leitfähigkeit der Stromquelle (60) liefert derart, daß jede Differenz zwischen dem Signal von den Flußabtastmitteln (58) und dem eine gewünschte Größe des Flusses darstellenden Signal minimal ist.
11. Schaltschütz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Flußabtastmittel (58) einen Halleffekt-Digitalschalter aufweisen, der zwischen einem leitenden Zustand bei einem ersten, hohen auftretenden Flußwert und einem nicht-leitenden Zustand bei einem zweiten, kleineren auftretenden Flußwert umschaltet, und daß die elektrischen Schaltmittel umfassen:

eine steuerbare Stromquelle (60) zum Verbinden der Betätigungsspule (10) mit einer Gleichspannungsquelle (V2), Mittel (62, 64, 66) zum Anlegen eines Steuersignals an einen Eingangsanschluß (62) der Stromquelle (60) zum Betätigen der Spule (10) und

Mittel zum Verbinden des digitalen Schalters mit der Eingangsklemme (62) der Stromquelle (60), wodurch das Steuersignal durch den digitalen Schalter gehemmt ist, wenn der Fluß den ersten hohen Wert erreicht, und die Hemmung beseitigt wird, wenn der Fluß auf den zweiten kleinen Wert abfällt.