Bistabile magnetische Anordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bistabile magnetische Anordnung, enthaltend als erstes magnetisches Glied einen von einer Spule umgebenen Kern, der durch Spulenströme wechselnder Richtung entsprechend wechselweise remanent magnetisierbar ist, und als zweites magnetisches Glied zwei den remanent-magnetisierbaren Kern in dessen Achsrichtung zwischen sich nehmende Permanent-Magnete, wobei durch Umkehr des Spulenstroms eines der magnetischen Glieder gegenüber dem anderen abwechselnd in die eine oder die andere von zwei Endlagen axial verschiebbar gelagert ist.

In der US-A-3 202 886 ist anhand von Figur 3 eine derartige bistabile magnetische Anordnung mit einer magnetisierbaren Vorrichtung beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bistabile Anordnung gemäß dem Oberbegriff der Beschreibungseinleitung hinsichtlich ihres Ansprech- und Abfallverhaltens sowie deren Schnelligkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern, Material- und Energieaufwand durch optimale Ausnützung der mechanischen und der elektrischen Funktionen und Teile zu reduzieren sowie die Belastbarkeit der Anordnung merkbar zu erhöhen.

Die vorstehende Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Dabei wirken sich die Vorteile neuzeitlicher Dauermagnet-Werkstoffe und der Einbau der daraus gefertigten Permanent-Magnete in einem Montageteil aus nichtmagnetischem Material vor allem in einer weiteren Verringerung des benötigten Bauvolumens und einer nicht ohne weiteres zu erwarten gewesenen Steigerung der Belastbarkeit aus, weil bereits ein Stromimpuls von einer Dauer gleich einem Bruchteil einer Wechselstrom-Halbperiode zur Erregung 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.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung erläutert; es stellen dar:

• Fig. 1: 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: einen rechteckigen Rahmen zur Halterung des verschiebbar angeordneten magnetischen Gliedes

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

• Fig. 4: einen Spulenkörper mit Kern

  • 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 Impulsen wechselnder Polarität und von wählbarer Dauer innerhalb bestimmter Periodenabschnitte von Wechselstromhalbwellen.

In Fig.1 ist auf der Montageplatte 1 der Spulenkörper 2 mit dem darin starr befestigten, remanent-magnetisierbaren Kern 3 von mindestens annähernd gleicher Länge 4 und mit der Spulenwicklung 5 ortsfest angeordnet. Auf dem Spulenkörper 2 ist mittels des gestrichelt (2a) dargestellten plattenförmigen Auslegers 2b als mechanischem Führungselement ein rechteckiger Rahmen 6 aus nichtmagnetischem Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, verschieblich gelagert. Der Rahmen 6 weist Stirnwände 7, 8 und Abstandsstücke 9, 10 auf, an welchen wulstförmige Gleitschienen bzw. -kufen 11, 12 angeformt sind; die Abstandsstücke 9, 10 sind länger als der Spulenkörper 2 bzw. sein Kern 3. In jede der Stirnwände 7, 8 ist ein Permanent-Magnet 13, 14 eingesteckt, deren dem Kern 3 der Spule 5 gegenüberliegende Flächen parallel zu der betreffenden Polfläche 16, 17 des Kerns 3 der Spule 5 liegen und auf der Magnetachse 20 senkrecht stehen. Die Höhe 19 der Permanent-Magnete 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 5; die Permanent-Magnete 13, 14 sind aus SECO (Selten-Erden-Cobalt) und der Kern 3 der Spule 5 aus ALNICO gefertigt.

Der Rahmen 6 wird außer durch den plattenförmigen 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 Permanent-Magneten des ersten und des zweiten magnetischen Gliedes infolge der dazwischen bestehenden Kraftwirkung in der Schwebe gehalten.

Die Magnetachse 20 des Kerns 3 der Spule 5 ist mindestens annähernd identisch mit derjenigen der Permanent-Magnete 13, 14; in der gezeichneten Lage ist die Polarisierung des Permanent-Magnets 13 derjenigen des Kerns 3 entgegengesetzt und diejenige des Permanent-Magnets 14 der des Magneten 13 entgegengesetzt gerichtet. In der gezeichneten Lage tritt also zwischen der Polfläche 16 des Kerns 3 und dem ihr gegenüberliegenden Permanent-Magneten 13 eine Anziehungskraft, und zwischen der Polfläche 17 des Kerns 3 und dem diesem gegenüberliegenden Permanent-Magneten 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 eine Abstoßungskraft zwischen der Polfläche 16 und dem Permanent-Magneten 13 auf, eine Anziehungskraft dagegen zwischen der Polfläche 17 und dem Permanent-Magneten 14, der Rahmen 6 verschiebt sich schnell und mit großer Kraft nach links (in der Zeichnungsebene), so daß nunmehr Kern 3 und der Permanent-Magnet 14 aneinander anliegen. An dem Rahmen 6 ist der stabförmige Ausleger 21 einstückig angeformt, der die Bewegung des Rahmens 6 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 Hebel 25 einstückig angeformt, der mittels des außerhalb der Gehäusewand 23 zugänglichen Schiebers 24 von Hand parallel zur Bewegungsrichtung des Rahmens 6 verschiebbar ist. 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 Schieber 24 starr verbunden.

Der zweiarmige Hebel 25 kann also mittels des Schiebers 24 aus der gezeichneten Mittellage parallel zu der Bewegung des Rahmens 6 in zwei entgegengesetzte Richtungen verschoben werden; in der Richtung nach links in der Zeichnungsebene wird der Rahmen 6 in eine Blockierungslage mit Anlage des Permanent-Magneten 14 an der Polfläche 17 des Kerns 3 verschoben, wobei der andere fingerförmige Arm 2 an der Stirnwand 8 des Rahmens 6 anliegt. Dabei lenkt die mit einer Halbkugel 30 ausgestattete Nase 31 die Kontaktfeder 32 aus, so daß der elektrische Kontakt mit der Kontaktfeder 33 unterbrochen wird; in der Mittelstellung des Schiebers 24 ist dies nur dann der Fall, wenn sich der Rahmen 6 in der der gezeichneten entgegengesetzten Stellung befindet. Umgekehrt kann durch eine Verschiebung des Schiebers 24 in die Richtung nach rechts in der Zeichnungsebene bis zum Anschlag der Anschlagsnase 22a an der Führungsnase 26 die Kontaktfeder 33 von der Kontaktfeder 32 gelöst werden, wobei die Anordnung entweder 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 40 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, 60 die Anschlußklemmen 61, 62, 63 eingesteckt, an denen die Anschlußleiter 64, 65, 66 einstückig angeformt sind. Die Anschlußleiter 65, 66 tragen Kontakte 67, 68 während der Anschlußleiter 64 als Lager für den Kontaktarm 69 dient, der durch die bei der Schraubstelle 70 und in 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 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 Kraftwirkung in den Endlagen zusätzlich entlastet wird. Der Kontaktarm 69 ist in einer Aussparung 73 des 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 aus Fig. 1 aus nichtmagnetischem Werkstoff mit den Stirnwänden 101, 102, den Abstandsstücken 103, 104, den Gleitschienen bzw. -kufen 105, 106, der einstückig angeformten Führungszunge 107, der Anschlagsnase 108 und der Nase 109 allein dargestellt; der stabförmige Ausleger 110 ist in Fig. 3b 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 den Permanent-Magneten 113 auch Lüftungsbohrungen 114 bis 117 für die hier nicht dargestellte Spulenwicklung (4 in Fig. 1), auch eine in Fig. 3c durch Strichelung angedeutete Eintiefung 118 für den plattenförmigen Ausleger 2b, 119 des Spulenkörpers (vgl. Fig. 1 und Fig. 4) als Führungsstück für den Rahmen (6 in Fig. 1).

In Fig. 4 ist der Spulenkörper mit Seitenwänden 151, 152, permanent-magnetischem 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) aus dem breiteren Arm 202 mit der Führungsnase 203 und dem fingerförmigen Arm 204 mit der Halbkugel 205 einstückig zusammengesetzt ist und an den einen Arm 202 des Schiebers 206 mittels der Verbindungsstücke 207 einstückig trägt. Es sind noch weitere Führungselemente, Rastelemente und Rastnuten, wie in der einschlägigen Praxis allgemein üblich, in zweckmäßiger Weise angeordnet.

Die Schaltungsanordnung der Fig. 6 zur Erzeugung von Strom-Impulsen wechselnder Polarität und von wählbarer 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 der Null- (N)-Leiter eines Wechselstromnetzes angeschlossenen Stromversorgungsleitungen 256, 257 bzw. Gleichrichtergruppe aus Vorwiderstand 258, Gleichrichterdiode 259, Ladekondensator 260, Zenerdiode 261 und der positiven "+" -Gleichspannungsleitung 262 für die Stromversorgung des JK-FLIP-FLOP-Bausteins 263 weist im Eingangskreis des Takteingangs (Cp) 264 den Opto-Koppler 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 Opto-Koppler-Einheiten 269 und 270 beaufschlagt werden und deren dem Ausgang entgegengesetzte Elektroden an die Stromversorgungsleitung 256 angeschlossen sind.

Je nachdem, ob die weiteren Setz- (S_c) bzw. Rücksetz- (C_D) Eingänge 271 bzw. 272, gegebenenfalls über weitere Opto-Koppler 273, 274 mit einem Signal von positiver oder Null-Spannung beaufschlagt sind, kehren sich die Ausgangssignale zwischen den Anschlüssen "Q" und "FIG" mit jeder positiven Spannungsflanke am Takteingang 264 um, so daß hinter dem Kondensator 275 an den antiparallel geschalteten Dioden 276, 277 mit Leuchteffekt ("Leuchtdioden") der Opto-Koppler 269, 270 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 Steuerelektrode den betreffenden Thyristor 267, 268 so aussteuert, daß Ströme wechselnder Richtung durch die Spulenwicklung fließen; die erfindungsgemäße bistabile magnetische Anordnung wird also durch Ströme wechselnder Richtung zum Wechsel der gegenseitigen Lage von Spule 5 und Rahmen 6 veranlaßt. Dh. im Falle des Ausführungsbeispiels von Fig. 1, daß eine schnelle Hin- und Herbewegung des Rahmens 6 veranlaßt wird und damit mittels des stabförmigen Auslegers 21 eine Betätigung einer mechanischen oder elektrischen Schaltvorrichtung. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß anstelle einer elektrischen Kontaktgruppe auch mechanische Elemente durch die erfindungsgemäße bistabile magnetische Anordnung in wechselnde Betriebsstellungen geschaltet werden können.