[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Überlastanzeiger für Wechselstrom-Elektrogeräte,
insbesondere Mehrfachsteckdosen, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
[0002] Eine Reihe von Elektrogeräten, die mit technischem Netzwechselstrom betrieben werden,
sind vor Überlastung durch überhöhten Stromfluß nicht gesichert. Insbesondere Mehrfachsteckdosen
verführen die Anwender zu einer Überlastung durch Anhängen zu vieler und zu leistungsstarker
Verbraucher. Ist eine solche Mehrfachsteckdose mit einem herkömmlichen Überstromschutzschalter
versehen, so würde dieser zwar im Stromstoßfall sofort auslösen. Bei geringfügiger
Dauerüberlastung haftet derartigen Schaltern jedoch eine zu hohe Trägheit an, so daß
eine Auslösung erst nach einer gewissen Zeitverzögerung erfolgt. Dies kann zu Unannehmlichkeiten
führen, wenn in einem solchen Falle wichtige Verbraucher, wie z.B. Gefrierschränke
u.dgl., ebenfalls von der Abschaltung betroffen werden. Auch ist die Zerstörung einer
Mehrfachsteckdose durch Dauerüberlastung möglich.
[0003] Es ist bekannt, als Warngerät Summer zu verwenden; beispielsweise ist eine akustische
Anzeige von Eierkochern zu erwähnen. Aber die bekannten Summer arbeiten spannungsabhängig
und sind daher zur Überwachung einer maximalen Stromstärke weniger geeignet. Auch
verfügen sie nicht über das gewünschte Hysteresisverhalten, was zur Folge hat, daß
der Warnton nicht wie gewünscht sprunghaft, sondern allmählich, z.B. bei langsam ansteigendem
Strom einsetzt.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache elektromechanische Warneinrichtung gegen
Überlastung von Wechselstromgeräten, beispielsweise von Mehrfachsteckdosen anzugeben,
die im Überlastungsfall trägheitslos ihre Warnfunktion erfüllt; die eigentliche Warneinrichtung
soll flach gebaut und robust gegen mechanische (z.B. bei Herunterfallen des Gerätes)
und elektrische (Spannungsspitzen) Beanspruchungen sowie alterungsbeständig sein.
Ferner ist ein Hysteresisverhalten anzustreben. Die Lösung ist im Patentanspruch 1
definiert.
[0005] Wesentlich für die Lösung gemäß dem Anspruch 1 ist ein besonders flacher und verhältnismäßig
raumsparender elektromechanischer Vibrator, der einen plötzlich einsetzenden Warnton
erzeugt, sobald der für das zu sichernde Gerät zulässige Wechselstromwert überschritten
wird. Der angewandte Vibrator zeigt ein gutes Hysteresisverhalten, so daß der Benutzer
nicht bereits durch einen zu früh einsetzenden Warnton verwirrt wird, wenn der Strom
zwar in der Nähe, jedoch noch unterhalb des Grenzwertes liegt. Auch bei Dauerbeanspruchung
besteht keine Gefahr, daß der Vibrator aus mechanischen oder thermischen Gründen zerstört
wird.
[0006] Der vibrator läßt sich auch nachträglich in die verschiedensten Wechselstromgeräte
integrieren.
[0007] Im Stoßstromfall reagiert die Warneinrichtung so schnell wie ein Überstromschutzschalter,
im Dauerüberlastungsfall jedoch wesentlich schneller, nämlich sofort nach Einschalten
des überlastenden Verbrauchers. In diesem Falle ertönt ein unüberhörbares, akustisches
Warnsignal, welches auch mit einem optischen Signal gekoppelt sein kann.
[0008] Insbesondere im Falle einer Mehrfachsteckdose ist bei Überlastung ein Warnsignal
vorteilhaft, wenn nämlich ein zusätzlicher Stecker eingestöpselt wird, durch dessen
Last die Nennstromgrenze überschritten wird. Durch das sofort einsetzende Warnsignal
merkt der Benutzer noch beim Einstecken des Steckers, daß ein Fehler vorliegt; instinktiv
wird dann der Stecker wieder gezogen werden.
[0009] Der in den Ansprüchen 2 bis 4 angegebene Aufbau des Vibrators ergibt das gewünschte
flache, robuste sowie alterungsbeständige Gerät mit Hysteresiseigenschaften.
[0010] Durch die Maßnahme nach Anspruch 5 wird ein besonders angenehmer Toneinsatz erreicht.
[0011] Gemäß Anspruch 6 ist es möglich, aufgrund der Tonfrequenz zwei verschiedene Stromwerte
zu unterscheiden: Bei mäßigem Stromanstieg ertönt der Vibrator zunächst mit Eigenresonanz,
um bei größerem Strom mit doppelter Netzfrequenz erzwungene Schwingungen auszuführen.
[0012] Der Anspruch 7 zeigt, daß sich der Vibrator auch, zumindest als Nebenwirkung, als
luftbewegender und damit kühlender Fächer einsetzen läßt.
[0013] Dagegen beschreiben die Ansprüche 8-9 beispielsweise die zusätzliche Ausbildung einer
optischen (Fern-)Anzeige.
[0014] Durch die Maßnahme nach Anspruch 15 ist das Gerät absolut narrensicher.
[0015] Andere vorteilhafte Ausgestaltungen sind weiteren Ansprüchen entnehmbar.
[0016] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles mit in eine Mehrfachsteckdose
eingebautem Vibrator beschrieben; in den zugehörigen schematischen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht auf die Unterseite des Deckels einer zweiteiligen Steckdosenleiste
mit eingepreßtem elektromechanischem Vibrator, in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 den Einbau des Vibrators zwischen ohnehin vorhandene Verrippungen u.dgl. im
Deckel der Steckdosenleiste gemäß Fig. 1,
Fig. 3 die wesentlichen Bestandteile des elektromechanischen Viorators in perspektivischer
Darstellung,
Fig. 4 den Weicheisenkern mit federnd gelagertem Anker zum Vibrator gemäß Fig. 3,
Fig. 5 die Strom-Spule zum Vibrator gemäß Fig. 3,
Fig. 6 einen Weicheisenkern ähnlich Fig. 4, bestehend aus Hauptschenkel, zwei Nebenschenkeln
sowie dem zugehörigen Anker, ferner die angedeutete Strom-Spule,
Fig. 7 die Vibratorteile gemäß Fig. 6 von der Seite gesehen, jedoch ohne Strom-Spule,
Fig. 8 die besonders flache Ausbildung des Vibrators mit Rechteck-Weicheisenkern und
mittig angeordnetem, von der Strom-Spule umgebenem Anker,
Fig. 9 ein Verdrahtungsschema zur Steckdosenleiste gemäß Fig. 1 und
Fig. 10 die Hysteresis-Eigenschaften der Überwachungseinrichtung im Kräftediagramm.
[0017] Fig. 1 zeigt den elektromechanischen Überlastanzeiger, beispielsweise in eine Mehrfachsteckdose
eingebaut. Im einzelnen ist die Unterseite des Deckels 2 zu einer zweiteiligen Steckdosenleiste
in um 180 gedrehter Lage, also mit den inneren Partien der Leiste 1 nach oben weisend,
dargestellt. Außer dem Gehäuse 3 des Deckels im Ganzen sind Böden 4 der Töpfe 5 zum
Einführen von Schuco-Steckern mit Bohrungen 6 zum Durchführen der Steckerstifte und
Durchbrüchen 7 für die Schutzerdefedern zu ersehen. Die Töpfe 5 sind gegenüber den
Wänden 8 des Deckels 2 durch Rippen 9 ausgesteift. Der elektromechanische, akustische
Überlastanzeiger, ein Vibrator oder Summer, ist hier allgemein mit 10 bezeichnet.
[0018] Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, ist es dank der extrem flachen Bauweise des Überlastanzeigers
10 möglich, diesen unschwer nachträglich in ein existierendes Gehäuse 3 einer Leiste
1 einzuführen. Im dargestellten Falle ist der Überlastanzeiger 10 mit Preßsitz zwischen
die Rippen 9 und die Wandungen der Töpfe 5 eingefügt. Die feste Verbindung zwischen
dem Überlastanzeiger 10 und Wandbereichen des Gehäuses 3 ist deswegen zweckmäßig,
weil dieses hierdurch als eine Art Resonanzbod.en und somit schallverstärkend wirkt.
Aus dem gleichen Grunde ist es vorteilhaft, die Einbaustelle so zu wählen, daß möglichst
schwingfähige Gehäusebereiche vom Körperschall beaufschlagt werden.
[0019] Das Unterteil der Steckdosenleiste 1, das u.a. die "weiblichen" Steckelemente aufnimmt,
ist - da allgemein bekannt - in den Zeichnungen nicht dargestellt. Es wird jedoch
betont, daß der Überlastanzeiger 10, sofern die Einbauverhältnisse hier günstiger
als im Deckel 2 sind, ebensogut im Unterteil eingebaut sein kann. Besonders geeignet
ist der Überlastanzeiger 10 dank seiner Robustheit und'Wartungsfreiheit im übrigen
für Steckdosenleisten, die nach erfolgtem Zusammenbau bzw. Verdrahtung fabrikseitig
verschweißt werden.
[0020] Aus Fig. 3 ist auch ersichtlich, daß sich die Stromspule 22 als letzter Arbeitsgang
auf den Mittelschenkel des ansonsten komplett vorgefertigten Vibrators aufschieben
läßt, wodurch die Fertigung des Vibrators erheblich vereinfacht wird.
[0021] Die Figuren 3 bis 5 zeigen in perspektivischer Darstellung ein Beispiel einer besonders
zweckmäßigen und fertigungsgerechten Lösung für den eigentlichen elektromechanischen,
akustischen Überlastanzeiger 10, der hinfort kurz mit "Vibrator" bezeichnet wird.
Einem M-förmig gestalteten Weicheisenkern 16, bestehend aus dem Hauptschenkel 11 und
mindestens einem Nebenschenkel 12 bzw. 13 steht hier ein über zwei Blattfedern 15
federnd gelagerter, magnetisch leitfähiger Anker 14 gegenüber. Mindestens einer der
Schenkel 11,12 bzw. 13 ist durch eine Spule 22 beaufschlagt, die den zu überwachenden
Gerätewechselstrom führt. Abhängig von der Größe des durch die Spule 22 fließenden
Wechselstromes entsteht in den Schenkeln sowie im Anker ein magnetischer Wechselfluß
mit einer Frequenz von 50 bzw. 60 Hz (entsprechend der jeweiligen Netzfrequenz). Ab
einer bestimmten Stromstärke ist der Wechselfluß so groß, daß der Anker 14 mit doppelter
Netzfrequenz zu schwingen beginnt.
[0022] Mit zunehmendem Strom vergrößert sich die Amplitude der Ankerschwingung. Bei Erreichen
des vorbestimmten Nennstromes, z.B. 16 A, schlägt der Anker 14 erstmals gegen einen
Widerstand, hier die Schenkel 11-13, und erzeugt plötzlich einsetzend ein helles Brummgeräusch
von 100 Hz mit entsprechenden Oberschwingungen.
[0023] In vorliegendem Falle genügen für die Strom-Spule 22 sieben Windungen. Durch Vergrößern
oder Verkleinern der Anzahl der Windungen ist eine Justierung des Ansprechstromes
möglich. Eine Verringerung der Anzahl der Windungen kann in einfacher Weise durch
Kurzschließen benachbarter Windungen vorgenommen werden. Gemäß Fig. 5 können auch
ein oder mehrere bekannte Zwischenabgriffe 23 zwischen dem netzseitigen Spulen-Ende
20 und dem lastseitigen Spulen-Ende 21 vorgesehen werden. Auch kann der Kern zur Justierung
einen Eisennebenschluß aufweisen. Im allgemeinen wird man jedoch bei der Normalausführung
von mit solchen Überlastanzeigern versehenen Geräten ohne diese alternative Justiermöglichkeit
auskommen.
[0024] Gemäß dem in den Fig. 6 und 7 mehr gegenständlich dargestellten Beispiel kann der
Anker 14 zunächst frei und damit unhörbar mit doppelter Netzfrequenz (100 bzw. 120
Hz) schwingen. Bei weiterer Stromerhöhung schlägt der Anker erstmalig mindestens an
einen der Schenkel 11,12,13 an. Von diesem wird er mechanisch elastisch reflektiert,
und danach, einmal zu heftigerem Schwingen angeregt, mit annähernd gleich vehementen
Stössen unter Abgabe eines laut schnarrenden bzw. summenden Geräusches auf die Schenkel
11-13 erneut auftreffen. Bei weiterem Anstieg des durch die Spule 22 fließenden Stromes
ändert sich dieses Verhalten praktisch nicht, da die Amplitude der Ankerschwingung
durch das Aufschlagen auf die Schenkel 11-13 begrenzt und damit stabilisiert wird.
Bei Verringerung des Stromflusses bis unter den Wert, bei dem der erste Ankeranschlag
erfolgte, bleibt die reflektierende Wirkung der Schenkel und damit der Warntoneffekt
zunächst erhalten, wodurch eine ausreichende Hysteresis gegeben ist. Erst bei Unterschreiten
eines vorbestimmten Minimalwertes des Stromes setzt der Ton abrupt aus.
[0025] Fig. 7 erläutert insbesondere die fertigungstechnisch günstige Gestaltung des Weicheisenkernes
16 samt Federn 15 und Anker 14. Wie ersichtlich sind Hauptschenkel 11 samt Nebenschenkeln
12,13 aus Weicheisenblech einfach ausgestanzt bzw. gekantet. Anker 14 und Federn 15,
letztere aus einem federnden Metall, sind durch Punktschweißung, Nietung o.dgl. untereinander
bzw. mit dem
Weicheisenkern fest verbunden. Andere feste Verbindungen dieser Teile sind möglich.
[0026] Bei diesem Beispiel ist der Vibrator nur etwa 30 mm hoch und etwa 20 mm breit. Die
Tiefe 17, ohne Spule 22, beträgt lediglich etwa 4 mm. Der äußere Windungsdurchmesser
der Spule 22 beträgt hier etwa 9 mm. Diese Maximalabmessungen, die sich bei Bedarf
noch ermäßigen lassen, zeigen deutlich, daß sich der Vibrator 10 auch nachträglich
leicht in vorhandene Steckdosen-Konstruktionen einfügen läßt.
[0027] Selbstverständlich läßt sich die Spule auch mit rechteckigem Querschnitt und damit
flacher anfertigen.
[0028] Denkbar ist auch, daß die Spule direkt aus einigen Windungen einer Phase der Gerätezuleitung
besteht, die vor Anschluß im Gerät einige Male um den Mittelschenkel gewickelt wird.
[0029] In weiterer Vereinfachung kann der Weicheisenkern 16 als aus einem Blech ausgestanzter
Rechteckkern 18 gestaltet sein, wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist. Hierbei ist einer
der Schenkel, z.B. der Mittelschenkel, mittels Feder 15' federnd gelagert und übernimmt
die Funktion des Ankers 14'. Der Anker 14' durchsetzt die Spule 22.
[0030] In Fig. 9 ist ein Verdrahtungsbeispiel einer mit dem Vibrator ausgerüsteten Steckdosenleiste
dargestellt. Hierbei blieb aus Vereinfachungsgründen unberücksichtigt, daß bei der
anhand Fig. 1 erläuterten Steckdosenleiste die Anschlußklemmen im Unterteil der Dose
liegen, der Vibrator gemäß dem dort gezeigten Beispiel aber im Deckel untergebracht
ist. Gemäß Fig. 9 liegt das Ende 20 der Strom-Spule zum Vibrator 10 an einer Klemme
30' in der Steckdosenleiste. Das Ende 21 liegt an der ohnehin bei solchen Leisten
üblichen Klemme 30" ", so daß die Gesamtlast in jedem Falle durch die Strom-Spule
22 fließt.
[0031] Anschließend wird die Wirkungsweise des Vibrators und insbesondere dessen Hysteresis-Verhalten
anhand von Fig. 10 näher erläutert: Für die während einer Schwingungsperiode auf den
Anker wirkende Kraft F gilt:
wobei Fm die durch den Strom erregte magnetische Kraft und
FR die durch den Anschlag vorhandene Reflexionskraft (Impuls) sowie
FF die Federkraft bezeichnen.
[0032] Obwohl es sich bei allen Kräften um komplexe Größen handelt, läßt sich das Hysteresisverhalten
der Anordnung durch das Diagramm gemäß Fig. 10 leicht erklären. Bei wachsendem Strom
ist F
R zunächst gleich Null; F
M + F
F wachsen, bis die Amplitude des Ankers für den ersten Anschlag ausreicht (Punkt A
im Diagramm). Ab Punkt A wird F
R hinzuaddiert, und es schwillt die Amplitude schlagartig bis zur Begrenzung durch
den Anschlag an. Sinkt der Strom, dann fällt auch FM ab. Erst wenn FM bei als konstant
angenommenen F
F um den Betrag F
R gefallen ist, setzt die hörbare Schwingung abrupt aus, da die Amplitude des Ankers
infolge des Wegfalls der Reflexionskräfte schlagartig abnimmt (Punkt B).
[0033] Für die aufgabengerechte Funktion des Vibrators ist es vorteilhaft, jedoch nicht
notwendig, daß die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems aus Feder 15 und Anker
14 grob angenähert der doppelten Netzfrequenz entspricht.
[0034] Es kann unter Umständen aber auch erwünscht sein, zwei Stromschwellwerte zu unterscheiden.
Stellt man beispielsweise die Eigenfrequenz von Federn 15 und Anker 14 auf 50 Hz ein,
so wird das System nach dem ersten Anschlagen zunächst mit 50 Hz, bei weiter ansteigendem
Strom wegen des wachsenden F schließlich aber ab einem vorbestimmten Stromwert mit
100 Hz ertönen. Auch in diesem Falle bleibt die Eigenschaft des abrupten Toneinsatzes
und -abfallens erhalten.
[0035] Als zweckmäßige Ausbildung kann vorgesehen sein, daß der (bzw. die) schwingende(n)
Teil(e) des Systems durch die Luftbewegung eine Kühlwirkung z.B. auf die Strom-Spule
oder auf andere kühlungsbedürftige Teile eines bestimmten Gerätes ausübt (bzw. ausüben).
Um die Wirkung eines "kühlenden Fächers" zu erzielen, wird man zweckmäßigerweise die
schwingenden Teile möglichst großflächig auslegen. Diese Ausgestaltung des Vibrators
eignet sich vornehmlich auch für andere Anwendungsgebiete als die hier beschriebene
Steckdose.
[0036] Das gleiche gilt für eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Vibrators, die darin
besteht, daß die Strom-Spule gleichzeitig als Entstördrossel wirkt. Besonders vorteilhaft
ist in solchen Fällen eine Kombination von Kühlung und Entstörung. Diese Ausgestaltung
läßt sich vornehmlich bei geschalteten bzw. getakteten elektrischen Geräten einsetzen.
[0037] Für sämtliche denkbaren Anwendungsfälle ist immer die besonders flache, raumsparende
Ausbildung des Vibrators vorteilhaft. Hierdurch unterscheidet sich der Vibrator in
vorteilhafter Weise von sämtlichen bekannten Summerbauarten.
Bezugszeichenliste
[0038]
1 Steckdosenleiste
2 Deckel
3 Gehäuse
4 Boden
5 Topf
6 Bohrung
7 Durchbruch
8 Wand
9 Rippe
10 Elektromechanischer Überlastungsanzeiger Vibrator
11 Hauptschenkel
12 Nebenschenkel
13 Nebenschenkel
14 Anker
14' Anker
15 Feder
15' Feder
16 Weicheisenkern
17 Tiefe
18 Rechteckkern
20 Spulen-Ende, netzseitig
21 Spulen-Ende, lastseitig
22 Strom-Spule
23 Zwischenabgriff
24 Anschlußleitungen
30 Leitung
30' Klemme
30" Klemme
31 Leitung
31' Klemme
31' ' Klemme
33 Schutzerde
1. Elektromechanischer Überlastanzeiger für Wechselstrom-Elektrogeräte, insbesondere
Mehrfachsteckdosen, mit einem Gehäuse und mit Einrichtungen zum Zuführen und Abgeben
von elektrischer Energie
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit einem Gehäuseteil (z.B.Deckel 2) verbundene, vom Stromfluß direkt beeinflußte,
elektromechanische Überlastanzeige ein Vibrator (10) ist, der bei Überschreiten eines
vorgegebenen Stromes mindestens ein plötzlich einsetzendes Warnsignal abgibt, welches
nach deutlichem Unterschreiten des vorgegebenen Stromes abrupt aussetzt.
2. Überlastanzeiger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Überlastanzeiger (10) aus einem Hauptschenkel (11) und mindestens einem Nebenschenkel
(12,13), ferner einem gegenüber einem Weicheisenkern (16) federnd (Federn 15;15')
und reflexionsfähig gelagerten und magnetisch leitfähigen Anker (14;14') sowie aus
einer von dem zu überwachenden Gerätewechselstrom durchflossenen Strom-Spule (22)
besteht.
3. Überlastanzeiger nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Weicheisenkern (16) M-förmig gestaltet ist.
4. Überlastanzeiger nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer der Schenkel (z.B. 11) des Weicheisenkernes (16) von der Strom-Spule
(22) beaufschlagt ist.
5. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anker (14;14') samt Feder (15) schwingungsmäßig für doppelte Netzfrequenz
(100 bzw. 120 Hz) ausgelegt ist.
6. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eigenfrequenz von Feder (15;15') mit Anker (14;14') auf Netzfrequenz (50 bzw.
60 Hz) ausgelegt ist.
7. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß schwingende Teile (z.B. 14,15; 14' ,15') des Überlastanzeigers großflächig nach
Art eines Fächers ausgebildet sind.
8. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß schwingende und ruhende Teile voneinander elektrisch isoliert sind und ein Kontaktpaar
bilden.
9. Überlastanzeiger nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kontaktpaar eine weitere Kontrolleinrichtung ein- oder ausschaltet, beispielsweise
eine Warnlampe.
10. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spule (22) samt dem Anker (14;14') als Entstördrossel ausgelegt sind.
11. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spule (22) elektromagnetisch justierbar ist.
12. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet,
daß der Weicheisenkern (16) zur Justierung der auf dem Anker (14;14') wirkenden Magnetkraft
ein magnetisch leitfähiges Joch besitzt.
13. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vibrator (10) an einer akustisch besonders leitfähigen Stelle des Gehäuses
(3) eingespannt ist.
14. Überlastanzeiger nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vibrator (10) zwischen Verrippungen (z.B. 9) des Gehäuses (3) eingespannt
ist.
15. Überlastanzeiger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vibrator (10) in Reihe mit einem Schutzorgan, z.B. einer Schmelzsicherung
geschaltet ist.