Bistabile magnetische Anordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bistabile magnetische Anordnung, die ein erstes und ein zweites magnetisches Glied enthält, von denen eines gegen das andere und/oder gegen ein ortsfestes Montage- bzw. Gehäuseteil beweglich gelagert ist, wobei die Bewegung für die Betätigung einer mechanischen oder elektrischen Schaltvorrichtung unter dem Einfluß eines veränderbaren Magnetfeldes herbeiführbar ist.

Bistabile magnetische Anordnungen sind in verschiedenen Ausbildungen bekannt und in der Praxis vor allem in Verbindung mit der Betätigung von elektrischen Schutzrohr-Kontakten oder bei Maschinen-Steuerungen eingeführt; diese Anordnungen sind durchweg monostabil, so daß für die Aufrechterhaltung mindestens von Arbeits-Betriebszuständen bzw. -stellungen ein oft beträchtlicher Energieverbrauch in Kauf genommen werden muß, um die zu betätigenden Teile der Schalteinrichtung, zB. Kontaktfedern, in die zugehörige Lage zu bringen oder sie darin zu halten. Es gibt auch Haft-Elektromagnet-Vorrichtungen, die zwar in der durch Stromerregung herbeigeführten Arbeitslage ohne oder praktisch ohne Energieaufwand verbleiben, jedoch ist für die Rückführung in die Ausgangslage entweder ein zusätzlicher mehr oder weniger großer schaltungstechnischer Aufwand oder eine zusätzliche mechanische oder elektromechanische Hilfsvorrichtung erforderlich.

Durch die DE-OS 15 14 744 ist eine bistabile magnetische Anordnung mit zwei parallel zueinander verschieblich gelagerten, in diesen Lagerachsen polarisierten, dh. axial magaetisierten Permanentmagneten bekannt, von denen der eine Permanentmagnet auf dem Schutzrohr eines elektrischen Federkontaktpaars verschieblich gelagert ist und mit diesem zusammenwirkt; aus der Ruhelage wird er in die Arbeitslage dadurch gebracht, daß der zweite Permanentmagnet parallel hierzu verschoben wird, wobei der erste Permanentmagnet infolge der Änderung der Anziehung bzw. Abstoßung beider Permanentmagnete in die eine bzw. die andere Lage gebracht wird. Der erste Permanentmagnet wird dabei mittels einer ihn durchdringenden Betätigungsstange durch eine nicht dargestellte, jedenfalls rein mechanische Antriebsvorrichtung in die eine bzw. die andere Richtung bis zu einem Anschlag bewegt.

Während bei den vorbekannten Vorrichtungen der monostabilen Art elektrische bzw. andere Energie zur Aufrechterhaltung mindestens eines Betriebszustandes erforderlich ist, benötigt die bistabile Vorrichtung mit Haft-Elektromagnet bzw. Selbsthalte-Einrichtung zB. mittels Zusatzkontakten oder Arretierung für die Rückstellung einen besonderen schaltungstechnischen oder baulichen Aufwand (Zusatzwicklung od.dgl.). Die bistabile magnetische Anordnung gemäß DE-OS 15 14 744 benötigt zwar keinen besonderen Energieaufwand für die Aufrechterhaltung der Betriebszustände, ist dagegen mit dem Nachteil behaftet, daß sie eine (mechanische) Antriebsvorrichtung benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bistabile Anordnung gemäß DE-OS 15 14 744 mit zwei magnetischen Gliedern, von denen eines gegen das andere und/oder gegen ein ortsfestes Montage- bzw, Gehäuseteil beweglich gelagert und die Bewegung für die Betätigung einer mechanischen oder einer elektrischen Schaltvorrichtung unter dem Einfluß eines veränderbaren Magnetfeldes herbeiführbar sind, unter Vermeidung der dortigen Nachteile und der Nachteile der anderen vorbekannten Vorrichtungen einschlägiger Art dahingehend zu verbessern, daß sowohl die Arbeits-Betriebslage, als auch die Rücksetzung durch die gleiche elektromechanische Einrichtung herbeiführbar ist und hierbei für die Betätigung einer mechanischen oder elektrischen Schalteinrichtung gegen eine große Rückstellkraft, zB. eines elektrischen Kontaktfedersatzes mit für höhere Ströme ausreichendem großen Kontaktdruck, für die Aufrechterhaltung eines Betriebszustandes bzw. für die Rückstellung desselben ein kleinerer Energie- oder baulichen bzw. schaltungstechnischer Zusatz-Aufwand getrieben werden muß als bei herkömmlichen Vorrichtungen.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Besonderheiten mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Der erzielte technische Fortschritt ist an sich schon daran abzulesen, ergibt sich aber auch daraus, daß bei einer solchen Ausbildung die Vorteile neuzeitlicher , insbesondere Dauermagnet-Werkstoffe besonders zum Tragen kommen. Diese Vorteile wirken sich vor allem in einer weiteren Verringerung des benötigten Bauvolumens, einer nicht ohne weiteres zu erwarten gewesenen Belastbarkeit und eines extrem schnellen Ansprechens aus, wofür bereits ein Stromimpuls von einer Dauer gleich einem Bruchteil einer Wechselstrom-Halbperiode ausreicht. Es läßt sich zeigen, daß dies besonders vorteilhaft ist, wenn durch Betätigung eines und desselben Drucktasters in dem gewünschten zeitlichen Abstand die mechanische oder elektrische Schalteinrichtung von dem einen Betriebszustand in den anderen und zurück überführt werden soll.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und wesentlicher Teile hiervon sind anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung erläutert; es stellen dar:

• Fig.l: im teilweisen Schnitt - eine Draufsicht auf die bistabile magnetische Anordnung mit einem von Hand bedienbaren Hebel für die Betätigung eines Hilfskontakt-Federsatzes zur Wahl einer von mehreren Betriebsarten;
• Fig.2: einen für die Anordnung nach Fig.1 geeigneten Kontaktfedersatz vom Wechselschalter-Typ stellvertretend für elektrische Schalteinrichtungen
• Fig.3: ein Halte- bzw. Verbindungsstück in der Form eines rechteckigen Rahmens für ein zweites (verschieblich ortsbewegliches) magnetisches Glied

  • a) in der Vorderansicht
  • b) in der Seitenansicht
  • c) in der Draufsicht

• Fig.4: einen Spulenkörper mit permanent-magnetischem Kern für ein erstes (ortsfestes) magnetisches Glied

  • a) in der Seitenansicht
  • b) in der Vorderansicht
  • c) im Draufsicht-Schnitt (A-A)

• Fig.5: einen von Hand bedienbaren, am Rahmen gemäß Fig.3 geführt angebrachten Hebel

  • a) in der Vorderansicht
  • b) in der Seitenansicht

• Fig.6: eine für die durch aufeinanderfolgende Betätigung eines Tasters geeignete elektrische Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Wechselstrom-Impulsen entsprechend umschaltbarer Polarität und von wählbarer Dauer von bestimmten Periodenabschnitten.

In Fig.1 ist auf der Montageplatte 1 der Spulenkörper 2 mit dem darin starr befestigten permanent-magnetischen Kern 3 von mindestens annähernd gleicher Länge 4 und der Spulenwicklung 5 ortsfest angeordnet; auf dem Spulenkörper 2 ist mittels des gestrichelt (2a) dargestellten plattenförmigen Auslegers 2b als mechanisches Führungselement verschieblich gelagert der rechteckige Rahmen 6 aus nichtmagnetischem Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, mit den Stirnwänden 7, 8 und den Abstandsstücken 9, lo, an welchen wulstförmige Gleitschienen bzw. -kufen 11, 12 angeformt sind; die Abstandsstücke 9, 1o sind länger als der Spulenkörper 2 bzw. sein Kern 3. In den Stirnwänden 7, 8 sind je ein Permanentmagnet-Stück 13, 14 eingesteckt, dessen dem Kern 3 der Spule 15 gegenüberliegende Fläche parallel zu der betreffenden Polfläche 16, 17 des Kerns 3 der Spule 15 ist und auf der Magnetachse 18 senkrecht steht. Die Höhe 19 der Parmanentmagnet-Stücke 13, 14 ist kleiner als ihr Durchmesser, sie haben also die Form von Kreisscheiben, und zwar mehr oder weniger, je nachdem, um wieviel ihre Koerzitiv-Feldstärke größer ist.als diejenige des Werkstoffs des Kerns 3 der Spule 15; die Permanentmagnet-Stücke 13, 14 sind aus SECO (Selten-Erden-Cobalt) und der Kern 3 der Spule 15 aus ALNICO gefertigt.

Der Rahmen 6 wird außer durch den palltenförmigen Ausleger 2b und die wulstförmigen Schienen bzw. Kufen 11, 12, die auf der Montageplatte 1 und der nicht dargestellten Deckplatte gleiten, vor allem durch das starke Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten des ersten und des zweiten magnetischen Gliedes infolge der dazwischen bestehenden Kraftwirkung in der Schwebe gehalten geführt.

Die Magnetachse 2o des Kerns 3 der Spule 15 ist mindestens annähernd identisch mit derjenigen der Permanentmagnet-Stücke 13, 14; in der gezeichneten Lage ist die Polarisierung des Permanentmagnet-Stücks 13 derjenigen des Kerns 3 entgegengesetzt und diejenige des Permanentmagnet-Stücks 14 ihm entgegengesetzt gerichtet. In der gezeichneten Lage tritt also zwischen der Polfläche 16 und dem ihr gegenüberliegenden Permanentmagnet- Stück 13 eine Anziehungskraft, und zwischen der Polfläche 17 des Kerns 3 und dem diesem gegenüberliegenden Permanentmagnet-Stück 14 eine Abstoßungskraft auf.

Wird die Spulenwicklung 4 von einem Strom solcher Polarität durchflossen, daß die Magnetisierung des Kerns 3 bestätigt wird, dann ändert sich nichts; wird dieser Strom aber umgepolt, dann tritt die Abstoßungskraft zwischen der Polfläche 16 und dem Permanentmagnet- Stück 13 auf, die Anziehungskraft dagegen zwischen der Polfläche 17 und dem Permanentmagnet-Stück 14, der Rahmen 6 verschiebt sich schnell und mit großer Kraft nach links (in der Zeichnungsebene), so daß nunmehr Kern 3 und Permanentmagnet-Stück 14 aneinander anliegen. An dem Rahmen 6 ist der stabförmige Ausleger 21 einstückig angeformt, der die Bewegung des Rahmens 6, der zusammen mit der Spule 15 die bistabile magnetische Anordnung bildet, auf eine zu steuernde Schalteinrichtung kraftschlüssig überträgt, wie dies anhand der Fig.2 noch zu erläutern sein wird.

An dem Abstandsstück 9 ist außen die Führungszunge 22 für den zweiarmigen, mittels des außerhalb der Gehäusewand 23 für Handbedienung zugänglichen Schiebern griffs 24 parallel zu der Richtung der Bewegung des Rahmens 6 verschiebbare zweiarmige Hebel 25 einstückig angeformt. Der eine Arm 25a des Hebels 25 ist mittels der Führungsnase 26-. an der Führungszunge 22 geführt und durch das in einem Schlitz 27 geführte Verbindungsstück 28 mit dem Schiebergriff 24 starr verbunden.

Der zweiarmige Hebel 25 kann also mittels des Schiebergriffs 24 aus der gezeichneten Mittellage parallel zu der Bewegung des Rahmens 6 in zwei entgegengesetzten Richtungen verschoben werden; in der einen Richtung (nach links in der Zeichnungsebene) wird der Rahmen 6 in eine Blockierungslage mit Anlage des Permanentmagnet-Stücks 14 an der Polfläche 17 des Kerns 3 verschoben, wobei der andere fingerförmige Arm 29 an der Sirnwand 8 des Rahmens 6 anliegt; die Anlage erfolgt ununterbrochen kraftschlüssig. Dabei lenkt die mit einem Halbstift 3o ausgestattete Nase 31 die eine Kontaktfeder 32 aus, so daß der elektrische Kontakt mit der anderen Kontaktfeder 33 dauernd unterbrochen wird; in der Mittelstellung des Schiebergriffs 24 ist dies nur für die Dauer der Betriebslage des Rahmens 6 in der der gezeichneten entgegengesetzten Stellung der Fall. Umgekehrt kann durch eine Verschiebung des Schiebergriffs 24 in die entgegengesetzte Endlage bis zum Anschlag der Anschlagsnase 22a an der Führungsnase 26 die Kontaktfeder 33 von der Kontaktfeder 32 gelöst werden, wobei entweder die Anordnung ganz ausgeschaltet oder von sonstigen elektrischen Nebenbedingungen unabhängig gemacht wird.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 ist das Kontaktfederpaar 32/33, das auch durch eine Mittel-Kontaktfeder zu einem Wechselschalter mit Mittelstellung ergänzt sein könnte, in den Schlitzen zwischen den auf der Montageplatte 1 einstückig angeformten Kunststoff-Blöckchen 34 (in der Mitte) und 35, 36 (seitlich davon) vorjustiert und in Bohrungen der Leiterplatte 37 mittels der verschränkbaren Anschlußfahnen 38, 39 gehalten; mittels des Anschlagzapfens 4o sind Auslenkungen durch die Vorspannung begrenzt. Auf der Leiterplatte, welche eine für die Änderungen der Betriebszustände erforderliche elektronische Schaltungsanordnung enthält, ist auch ein dazu gehörendes Einstell-Potentiometer 41 eingelötet.

In Fig.2 sind in Spalten zwischen auf der Montageplatte 51 einstückig angeformten Abstandsklötzchen 52, 53, 54, Trennwänden 55, 56, 57, Stützklötzchen 58, 59, 6o die Anschlußklemmen 61, 62, 63 eingesteckt, an denen die Anschlußleiter 64, 65, 66 einstückig angeformt sind, von denen diejenigen 65, 66 Kontakte 67, 68 tragen, während derjenige 64 als Lager für den Kontaktarm 69 dient, der durch die bei der Schraubstelle 7o und einer Bohrung 71 eingehängte, gestrichelt gezeichnete Zug-Spiralfeder 72 in beiden Anschlagslagen vorgespannt wird. Dadurch nimmt der Kontaktarm 69 zwei stabile Lagen mit Kontaktgabe an dem einen Kontakt 67 des Anschlußleiters 65 oder an dem anderen Kontakt 68 des Anschlußleiters 66 unter starkem Druck ein; durch dieses Kippverhalten der Schalteinrichtung wird die Funktion der bistabilen magnetischen Anordnung (Fig.1) noch gefördert, weil sie hierdurch von Kraftwirkungen in den Endlagen zusätzlich entlastet wird. Der Kontaktarm 69 ist in einem Schlitz 73 des in Fig.1 mit Bezugsziffer 21 bezeichneten stabförmigen Auslegers 74 eingesteckt, so daß sie durch dessen Bewegung aus der einen Lage in die andere umgelenkt wird.

In Fig.3 ist der Rahmen (6 in Fig.1) aus nicht- magnetischem Werkstoff mit den Stirnwänden lol, lo2, den Abstandsstücken 103, lo4, den Gleitschienen bzw. -kufen 105, lo6, der einstückig angeformten Führungszunge lo7, der Anschlagsnase lo8 und der Nase lo9 allein dargestellt; der stabförmige Ausleger 11o ist in Fig.3c mit seinem einseitigen Schlitz 111 für die Aufnahme des Kontaktarms (69 in Fig.2) besser zu erkennen; ebenso die Anschlagsnase 108 und die Führungszunge 107. Die Stirnwand 103 enthält außer dem Ausschnitt 112 für das Permanentmagnet-Stück 113 auch Lüftungsbohrungen 114 bis 117 für die hier nicht dargestellte Spulenwicklung (4 in Fig.1),auch eine in Fig.3a durch Strichelung angedeutete Eintiefung 118 für den plattenförmigen Ausleger 119 des Spulenkörpers (vgl. Fig.1 und Fig.4) als Führungsstück für den Rahmen (auch 6 in Fig.1).

In Fig.4 ist der Spulenkörper mit Seitenwänden 151, 152, permanentmagnetischem Kern 153, der über die Seitenwände 151, 152 etwas vorsteht, und dem plattenförmigen Ausleger 154 mit Aushöhlungen 155, 156 für die Anschlußdrähte der Spulenwicklung dargestellt; der Ausleger 154 dient auch als Führungsstück für den Rahmen (6 in Fig.1), wie es in Fig.1 teilweise gestrichelt angedeutet ist.

In Fig.5 ist gesondert dargestellt, wie der zweiarmige Hebel 201 (25 in Fig.1), der aus dem breiteren einen Arm 2o2 mit der Führungsnase 2o3 und dem fingerförmigen anderen Arm 2o4 mit dem Halbstigt 205 einstückig zusammengesetzt ist und an den einen Arm 2o2 der Schiebergriff 2o6 mittels der Verbindungsstücke 2o7 und (207) einstückig angeformt ist. Weitere Führungselemente, Rastelemente und Rastnuten sind außerdem, wozu sich eine Detailbeschreibung erübrigt, wie in der einschlägigen Praxis allgemein üblich, in zweckmäßiger Weise angeordnet.

Die Schaltungsanordnung der Fig.6 zur Erzeugung von Wechselstrom-Impulsen umschaltbarer Polarität und von wählbaren Periodenabschnitten Dauer gemäß einer aufeinanderfolgenden Betätigung eines Tasters mit dem zu diesem führenden Eingangsklemmen 251, 252, den an die Spulenwicklung 253 der erfindungsgemäßen bistabilen magnetischen Anordnung führenden Ausgangsklemmen 254, 255 und den an den Phasen- (L) und den Null- (N)-leiter, der gleichzeitig als "-"-Leitung verwertet wird, eines Wechselstromnetzes angeschlossenen Stromversorgungsleitungen 256, 257 bzw. Gleichrichtergruppe aus Vorwiderstand 258, Gleichrichterdiode 259, Ladekondensator 26o, Zenerdiode 261 und der positiven "+"-Gleichspannungsleitung 262 für die Stromversorgung des JK-Flip-Flop-Bausteins 263 weist im Eingangskreis des Takteingangs (C ) 264 den Optokoppler 265 auf, durch den der Stromkreis 266 mit den Eingangsklemmen 251, 252 galvanisch von dem Takteingang 264 getrennt ist, und im Stromkreis der Ausgangsklemme 254, die antiparallel geschalteten Thyristoren 267, 268, deren "Gate"-Elektroden mit den Ausgangssignalen der Optokoppler-Einheiten 269 und 27o beaufschlagt werden und deren dem Ausgang entgegengesetzte Elektroden an die Stromversorgungsleitung 256 angeschlossen sind.

Je nachdem, ob die weiteren Setz- (S_D) bzw.Rück- setz- (C_D) eingänge 271 bzw. 272, gegebenenfalls über weitere Optokoppler 173, 274 mit einem Signal von positiver oder Null-Spannung beaufschlagt sind, kehren sich die Ausgangssignale zwischen den Anschlüssen "Q" und "Q" mit jeder positiven Spannungsflanke am Takteingang 164 um, so daß hinter dem Kondensator 275 an den antiparallel geschalteten Dioden 276, 277 mit Leuchteffekt ("leuchtdioden") der Optokoppler 269, 27o ein positiver bzw. ein negativer Spannungsimpuls auftritt. Dementsprechend überträgt die jeweils aktivierte Leuchtdiode den Spannungsimpuls - galvanisch getrennt - auf den zugehörigen Fototransistor 278, 279, der dann über die zugehörige "Gate"-Elektrode den betreffenden Thyristor 267, 268 so aussteuert, daß im einen Fall ein positiver Strom und im anderen Fall ein negativer Strom durch die Spulenwicklung fließt; die erfindungsgemäße bistabile magnetische Anordnung wird also durch einen Strom umschaltbarer Polarität zum Umkippen der gegenseitigen Lage von Spule (155(Fig.1) und Rahmen (6) (Fig.l) mit dem einen bzw. mit dem anderen magnetischen Glied, dh. im Falle des Ausführungsbeispiels der von Fig.1 zur schnellen Hin- und Herbewegung des Rahmens (6) und damit mittels des stabförmigen Auslegers (21 in Fig.1) einer mechanischen oder elektrischen Schaltvorrichtungs-Betätigung gebracht. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß anstelle einer elektrischen Kontaktgruppe auch mechanische Maschinenbau-Elemente durch die erfindungsgemäße bistabile magnetische Anordnung in wechselnde Betriebsarten geschaltet werden können.