Elektromechanischer Wandler mit mechanischer Verstärkerwirkung Die Erfindung bezieht sich auf leine Anordnung, die bereits bei einer sehr .geringen !elektrischen Leii- sbung die Auslösung eines Schaltermechanismus be wirkt.
Elektromechanische Wandler, d. h. Anordnun- gen, die bei einer bestimmten, ihnen zugeführten, elektrischen Leistung eine mechanische Leistung ier- zeu:gen und diese mittel- oder unmittelbar auf eine mechanische Vorrichtung, z.
B. leinen Schalter, über tragen, ;sind! bekannt. Insbesondere :sei, hierbei auf Installatioisselbstschallber verwiesen, die ausser einem. elektromagnetischen Momentanauslöser und einem thermischen Auslöser auch :
ein Differentiallrefais auf- weisen. Während der Auslöser .einen Schalter bei Leiitungskurzschluss ausschaltet,
ibetäibngt der thermis.che Auslöser einen Schallher bei einer an- daweriden klieinen überlast. Das Differentialrelais hingegen bewirkt die Auslösung eiirres Schalters =bei asymmetrischem Stromfvuss gegen Erde,
der entweder durch einen Stromdiebstahl oder durch eiirren I:sola- ti'onsdiefekt verursacht wird.
Alle diese angeführten Schaltmittel, deren Kriterium gegenüber anderen Schaltelementen in augenfälliger Weise jeweilis in dee für den :
auszulösenden Schaltvorgang notwendigen Stromstärke gegeben isst, arbeiten nach dem Prinzip eines @elektromechanischen Wandlers. Während nun die Auslösung des dem Momenitanauslöser bzw. dem thermischen Auslöser zugeordneten Schallhers ohne Schwierigkeiten voir isich geht, standen der sicheren Auslösung :
eimies Schalters durch das Differential- relais in mechanischer und elektrischer Art Hinder- nisse entgegen, so vor allem bei Insitallations,selb:st- schalmern für verhältnismässig grosse Nennstromstär- ken, da die Auslösung des Schalters durch :das Dif- ferentiallmeliais bereits bei cin:
er Stromstärke erfolgen, sollte, -die höchstens 10% des Nennstromes beträgt. Es i, it daher verständlich, dass das Diifferenfialrelais .elektrisch wie auch mechanisch ausserordentlich em:p- fnd!lich siemn musste.
Da eine Steigerung der elektni- schen Empfindlichkeit, die nu:r dwrch eine VeDgrö- sserung der für den Nennstrom bemessenen Differen- tialwicklungen zu erreichen ist, wegen des beschränkt zur Verfügung stehenden Raumes praktisch nicht verwirklicht werden konnte, hat man;
um die me chanische Empfind lichkeit des Relais zu steigern, dessen Anker als. ausgebildet. Dietser ist dem Magnetfeld dies in die Stromleitungen dies Schalters eingeschalteten Diffeirentialrelais derart aus gesetzt,
dass er bei asymm@etrnischer Stromentnahme in Schwingung gerät und dadurch, auf einen Ausliöse- helbel einwirkende, die Kontakte eines. Schalters öff net.
Da die Ansprechgrenze derartiger Differential- melaiis beietwa 0,5 bis 1 A liegt, wurde es erst jetzt möglich, einen verhältnismässig viel Kraft benötigen den mechanischen Vorgang durch geringe elektrische Energie und ahne Verwendung eineu Hilfskraft aus- zulösen.
Neuerdings wird nun die Forderung gestellt, da@ss durch das Differentialrelais auch Personen vor Be rührung stromführendeir Teile geschützt werden sol len.
Aus diesem. Grunde isst es erforderlich, die An sprechempfindlichkeit dieser Relais derart zu steigern, dass sie bereits bei eineu Stromstärke von 10 biss 40 mA ansprechen und den Schaltvargang auslösen.
Da sich eine derartige Empfindlichkeit bei Dif- felrentialrerais unter Beibehal:tung ihrer üblichen D:
i- mens!ionen nicht mehir erreichen lässt und es ausser dem im, manchen Fällen wünschensweet ist, dass der dien elektrischen Schahvorgang awslösende Schalster :
erst bei verhältnismässig grosser Kraftanwendung an spricht, anderseits. aber von dem Differential#r-elaiis keine grösseire mechanische erwartet werden kann, als diesem elektrische Leistung, zuge führt wird, wird nullmehr ein elektiromechanischer Wandle=r vorgeschlagen, der selbst bei ,
geringen räum- Eichen Abmessungen ein". wesentlich höhere iellek- trische Empfindlichkeit aufweist als ein Differential- rieicher Grösse und, der aussii eine me@aha- nische Verstärkerwirkung hat.
Gemäss dien Erfindung wird dies dadu ,rch erreicht, dass der -elektromechanische Wandler aus einem po- fanüsierten Magnetsystem sowie seinem Diifferenitiali- transformi besteht und eine zusätzliche magneitisichc
Anordnung aufweiset, die die mechanische Kraftübeir- tr ggung bewirkt.
Die Erfindung eist in der Zeichnung anhiaind meh rerer Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht. Es zeigen: Fig. leinen elektromechanischen Wandler, bei dem zurr Kraftübeartragung auf eine mechanische Vor- richtung die, potentielle Energie :
einer Feder ausge nutzt wird" Fg. 2 lein dem elektromechanischen Wandler zu- gehöriges bei Ausnutzung der potentiellen Energie :eineu Feder, .
Fig. 3 dien gliedchen elektromechanischen Wa:nd- fer, bei, dem aber zur Kraftübertragung tauf eine mechanische Vorrichtung die Energie einer Tauchspuke ausgenutzt wird, und Fig. 4 ein dem Wandler zu- gehöriges Kzaft We#o"-Diagramm;
bei Ausnutzung der kinetischen Energie einer Tauchspule.
In der Fiig. 1 eist mit 1 dein Permanentmagnet be zeichnet, in dessen magnetischem Feld sich leine Tauchspule 2 bewegt, auf deren Spulenkörper 3 leine Feder 4 befestigt eist,
die auf .ihrer dem Spulenkör- per 3 abgekehrten Seite einen kleinen U-förmigen Dauermagneten 5 .trägt. Die Tauchspule 2 wird von einer Tertiärwicldung 6 einfies Differentialtransforma tors 7 gespeist. Die Masse der Tauichspulle 2 sowie dir,
des 5 und Blattfiederkonstante sind hierbei auf die Frequenz der Speisespannung abgestimmt, z. B. <B>50</B> Hz. Damfit lassen ;sich entspre- chend der Güte dies Resonanzsystems wesentlich grö ssere Schwingungsamplituden der bewegbaren Teile, d. h. der Tauchspule 2 und der Feder 4, @erzielen als, bei nicht abgestimmten Systemen.
Physikalisch, gesehen hast das im weiteren zur Folge, dass die clcktrische Energie über eine be- stimmte Zeit integriert wird, um zu seinem beisaimm- ten Zeitpunkt als mechanische Energie verfügbar zu sein, so dass leine de)rant aufgebaute Anordnung,
.bei Anwendung nur sehr geringer elektrischer Energie eine mechanische Leisitung ierzeugt und diese mittel oder unmittelbar auf eine mechanische Vorrichtung, beispielsweise zur Auslösung .eines. Schaltvorganges, übertragen kann. Diese mechanische Leistung wird noch dadurch verstärkt,
dass durch das vorerst un- gestörte Anwachsen der Schwingungsamipllltude der Tauchspule, 2 der Abstand: zwischen dem U-förmi- gen Dauermagneten 5 und einem als. Anker ausgebil Beten Anschlag 8 eines Auslösehebels. 9 Bier mecha- nischen Vorrichtung
schliesslich so klieiin wird, da'ss sich diese beeiden Teile durch die magnetischen Kräfte anziehen und kraftschlüssig werden, so dass nunmehr die volle potentielle Federkraft auf den Auslösehebel 9 wirkt.
Diese mechanische Vorrichtung besteht bei der vorliegenden Anordnung aus dem um eine Achse 10 drehbar :gelagerten, doppelarmigen Ausilösehiebel 9,
dessen linker 11ebelärm leine um eine Achiste 11 dreh bar gelagerte und unter der Wirkung einer Zugfedicr 12 stehende Nase 13 eines weiter nicht dargestelllten Schaltermechanismus zum Ausschwenken in .der Pfeilrichtung A Mindert. Die Lage des Auisl'ösiehiebiels wird durch eine <RTI
ID="0002.0213"> Stellschraube 14 im Zuisammenwi!r- ken mit seiner Rücksitelilfeder 15 fesitgeleigt. Die Zug kraft der Rückstellfedeir 15 ist dabei so schwach, dass ,sie die Reibung, die zwischen der Nase 13 und dem Auslösehebell 9 beim Anliegen der Nase, 13 an letz terem entsteht, nicht überwinden kann, so.
dass sie fünktionsm;'a'ssig nur dafür vorgesehen ist, um nach der Auslösung des Schaatermechanismus dien Au@s- lösehebel 9 wieder in seine Ausgangshage zurück- eitellen.
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist fol gende: Wird der Tauchspule 2 von der Tertiärwiick- 1iung 6 des Diffeirianisforrnators. 7 Strom zu geführt, beginnt diese mit rasch grösserRTI ID="0002.0247" WI="16" HE="4" LX="1785" LY="1213"> werdender Amplitudie so lange, zu schwingen,
bis nach dem be reits beschriieibenen Vorgang umfiter NEtwirkung dies Dauermagneten 5 die volle potentielle Federkraft der Feder 4 auf den Ausilöschebel 9 einwirkt und diesen an ,seinem einen Ende in Richtung des Tauchspulen,
systems ziehfit. Sein anderes Ende, dass, wie schon ausgeführt, als: Speerre für die Nase 13 wirkt,, wird übler dien Drehpunkt 10 des Auslösehebels 9 angeho ben und gibt die Nase 13 frei.
Dia die durch diesle Anordnung crziel#bare mechanische Leistung um ein Vielfaches grösser ist als die ihir zugeführte elektrische, ist es möglich, mit nur sehr geringer elektrischer Leistung einen Schaltvorgang mechanisch auszulösen, für den eine verhältnismässig grosse Kraft auf gewen- det werden muss.
Die. mechanische Verstärkerwirkung dieses clek- :tromechamischen Wandlers ist aus. dem Kraft-Weg- Diagramm. in der Fig.2 zu ersehen. In diesem, ein dem P eine Kraft .und! S eine Ampliitudcngrösse bzw.
dien. von der Tauchspule 2 zurückgelegten Weg be deuten, ,stellen die Gerade 16 die Kraft-Weg-Ver- hiältnisse deir Tauchspule 2 ohne den U;förmlgen Dauermai 5 und die Kurve 17 diie Kraft,-Weg- Verhältnisse nur für den U-förmigen Dauermagnic- ten 5 dar.
Aus diesen beiden Linienzügen ergibt sich als Reisulitierende ieine Kurve 18. Sobald ,die Tauch- :spuie 2 nasch Erregung eine Ampliitudenigrösse 19 ,er- reicht hat, die den Dauermagnet 5 dem Anschlag 8 ,so nahe bringt, d'ass die auf die Tauchspule 2 wir kende Kraft ihre Richtung umkehrt; bewegt :
sich die Tauchspule 2 inifollge dieser magnetischen Kräfte bis zum Anschlag 8 weiter, was in vorliegendem Dia gramm einer Ampivitudengrösse 20 entspnichit. Da durch wirkt raun die volle potentielle Federenergie, deren Grösse mit dem Diaarammpunkt 21 angegeben ist, auf den Auslösehebel 9 :ein.
Die bei! dieser An- ordnung zurr Auslösung Beines. mechanischen, Schalt- vorganges zur Verfügung stehende Leistung isst durch das Leistungsdreieck 0-20-21 graphisch daergestellt. Demgegenüber is!t die von aussen zugeführte eIektri- sche Energie <RTI
ID="0003.0020"> bedeutend geringer und im Diagramm auf die .schraffierte Fläche beschränkt', die durch die Kurve 18 und die Abszisse :eingeschlossen ist.
Es ist aber auch möglich, bei Verwendung des gleichen; elektTomechaniischen Wandleins anstellte der potentiellen Energie seiner Feder 4 die kineidsche Eneergie :seiner Tauchspule 2 für die Auslösung des mechanischen Schaltermechanismus auszunutzen. Wie aus der Fig. 3, :
in der für die gleichen Teilte die gleichen Bezugszeichen wie in :der Fig. 1 verwendet werden, zu ersehen ist, bedarf :
es dazu nur eines geiringfügllgen Umbaues der mechanischen Vorrich- tung, und zwar derart,
dass der Auslösehebel 9 bei dar Einwirkung der magnetischen Kräfte des. Danier- magneten 5 auf dien Anschlag 8 unbeweglich bleibt und bei derc Einwirkung der kvnetischen Energie der Tauchspule 2 auf dem Ankoir 8 sein die Nase 13 sperrendes Ende nach abwärts schwenken kann.
In dem Kraft-Weg-Diagramm des Fig. 4 ist die mechanische Verstärkeirwirkunig nunmehr bei Aus- nutzung der kinetischen Finefrigie der Tauchspule 2 dargestellt. Auch hier bedeuten P die Kraft und S den Weg ibzw. die Grösse der Schwiingu!nigs.ampditude der
Tauchspule 2. Sobald die Tauchspule 2 nach Erregung leine Amplitud'engrösse 22 erreicht hat, wird sie sich infolge der Anziehung des Daue@r- magneten 5 und dies als Anker ausgebildeten An schlages 8 mit grosser Beschleunigung bis zu diiesiem hin bewegen, was im vo:
riegenden Diagramm einer Amplütudengrösse 23 entspricht. Die während, dieser Zeit auf den Ans hlag 8 wirkenden magnetischen Kräfte haben keine Bewegung des Aus:lösehebeds 9 zur Folge, da Ihn die Stellschraube 14 in der einen Bewegunegseichtung sperrt.
Unmittelbar mach Auftref fen des U-förmigen Dauermagneten 5 auf den An schlag 8 bewegen, .sIGh beididie Teeile, der Dauermaigneit 5 und der Anschlag 8, entsprechend:
dem Impulssatz weiter, wodurch der Auslösehebeli 9 an diesem Ende angehoben und an seeirrem, die Nase 13 sperrenden Ende nach .abwäints bewegt wird und diese freigibt. Wie aufs dem Diagramm zu ersehen isst,
entspricht die der Tauchspu@e 2 zuigeführte elektrische Enemgio deir schraffierten Fläche 24 und die von ihr abgegebene mechanische, kinetische Leistung der bedeutend grö- ss eren, :schraffierten Fläche 25.
Der grosse Vorteil dies podarisietren Magnet- systems gegenüber einem nichtpolarisieirten liegt vor aüem in der grossen Ansprech:
empfindilichkeiit dieser Anordnung beüi geininger Stromisitärke, da bekanntlich bei po earislexten Magnetsystemen die Kraftwirkung auf den Ankeir zur Erregerstromstärke proportional :
ist, während bei unpofairisierten die Kraftwirkung auf en Anker mm t dem Quadrat der Erregerstromstärke verläuft. Anhand der angeführten Ausführungsbeispiele ist weiter .gezeigt worden, dass durch die sinnvolle Ver knüpfung der Vorteile,
die durch die Verwendung eines Differentialtransformators und eines pol'axi- sleirten Magnetsystems, in Verbindung mit einer zu- eätzlchen magnetischen Anordnung gegebene sind,
ohne besondiere Aufwendungen ein elektromechani- scher Wandler entstanden ist, der sich im, bezug auf seine Ansprechempfindlichket und stein Leistungs vermögen weit von den,
bisher bekannten Anordnun gen distanziert. Während nämlich einerseits bei einem polamüsierten Magnetsystem bereits bei einem sehr kleinen Speisestrom eine kräftige mechanische Lei- stuing abgegeben wird und erst durch die Anwen@ dung :
eines Differentialtransformators dieser kleine Spevsesitrom aus zwei oder mehreren m@iteinandeir zu vergleichenden Strömen bis zu einem Wert von, weni gen mA herab mühelos erhalten werden kann, ist anderseits durch eine zusätzliche miagnetische Anord nung eine mechanische Leistungsabgabe des elektro- mechanis:
chen Wandlers zuerzielen, die um ein Viel- faches grösser ist als die ihm zugeführte elektrische Energie.