Elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren

Abstract

 Elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren von elektrischen Impulsen, bestehend aus einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Ziffernrollen, von welchen jede einzeln von der vorhergehenden antreibbar ist, wobei die Anfangsziffernrolle ein Gangrad trägt, an welches abwechselnd die im Endbereich eines elektromagnetischen Schaltankers angeordneten Vorsprünge angreifen und dadurch die Anfangsziffernrolle schrittweise in Drehung versetzen, und der Schaltanker kraftschlüssig mit einer elektrischen Spule verbunden ist, die im Kraftfeld gleichpolig zueinander gegenüberliegender Permanentmagnetsysteme angeordnet ist und beim Hindurchfliessen elektrischen Stromes von dem einen zum anderen Magnetsystem eine Ablenkung erfährt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren von elektrischen Impulsen, bestehend aus einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Ziffernrollen, von welchen jede einzeln von der vorhergehenden antreibbar ist, wobei die Anfangsziffernrolle ein Gangrad trägt,an welches abwechselnd die im Endbereich eines elektromagnetischen Schaltankers angeordneten Vorsprünge angreifen und dadurch die Anfangsziffernrolle schrittweise in Drehung versetzen.

[0002] Elektromechanische Zählwerke werden bekannterweise auf der Basis und Technologie eines Relais gebaut und betrieben. Dazu wird eine um einen Weicheisenkern gewickelte Spüle verwendet. Die vom elektrischen Strom durchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches ein in unmittelbarer Nähe vom Weicheisenkern angelenktes Eisenplättchen anzieht. Mit diesem Plättchen verbunden ist eine entsprechende Mechanik, welche die Schwenkbewegung des Plättchens in eine Drehbewegung der Ziffernrolle umsetzt. Nach dem Aufhören des Stromflußes in der Spule wird der Mechanismus durch eine Feder, welche durch die Schwenkbewegung des Plättchens gespannt worden ist, wieder in seine Ruhelage rückgebracht.

[0003] Diese bekannten Zählrelais erfordern einen hohen mechanischen Aufwand für eine reibungsarme und präzise Lagerung aller bewegten Teile wie: Stoßklinken, Rollanker, Magnetanker, sowie etwaiger Umlenkhebelmechanismen. Weiters ist durch den Trägheitswiderstand all dieser Metallteile die Zählfrequenz begrenzt, sodaß diese erforderlichenfalls nur durch verstärkte Rückzugsfedern und damit verbundener höherer Erregerleistung noch erhöht werden kann. Das hat jedoch zur Folge, daß der Zähler mit einem Vielfachen der Energie betrieben werden muß als zur eigentlichen Fortschaltung erforderlich wäre. Zur Erhöhung der Zählfolge, d.h. zur Erzielung kürzerer Anzugs- und Abfallzeiten ist eine höhere Beschleunigung der bewegten Massen notwendig, die nur durch Erhöhung der wirkenden Kräfte erreicht werden kann. Erschwerend wirkt sich dabei die Tatsache aus, daß die Kraft, mit der der Magnetanker zum Spulenkern oder in die Spule gezogen wird, eine Funktion des magnetischen Luftspaltes darstellt, d.h., die Anzugskraft wird bei gleichbleibender Spulenerregung umso kleiner, je größer der magnetisch wirksame Luftspalt wird und erreicht umgekehrt ein Maximum, wenn der Luftspalt null wird.

[0004] Im konkreten Fall ergibt sich ein relativ langsames Ansteigen der Kraft auf Grund des Abstandes, den der Magnetanker durch die Hinbewegung zum Kern laufend verringert.

[0005] Nach dem dynamischen Grundgesetz
F (Kraft) = m (Masse) . a (Beschleunigung)
ist, da die Masse konstant bleibt, die Beschleunigung nur von der Kraft (F) abhängig.

[0006] Danach gilt: a = k . F, wenn man (k) als Konstante für den Reziprokwert der Masse einsetzt. Da die Kraft (F) in der Anfangsphase des Ankeranzuges ein Minimum ist, ist auch die Beschleunigung (a) zum selben Zeitpunkt gering. Da aber auch die Geschwindigkeit (v) zur Beschleunigung (a) proportional ist (v= a . t), wird sie erst allmählich mit größer werdender Kraft zunehmen. Das bedeutet, daß sich auch der Wirkungsgrad (η) des Zählwerkes

umgekehrt proportional zum Luftspalt ändert, also in der Anfangsphase des Ankeranzuges sehr schlecht ist. Da aber die größte Anzugskraft in der Endphase der Ankerbewegung auftritt, zu einer Zeit also, zu der der Schaltvorgang der Ziffernrolle schon beendet ist, wird die nunmehr umgesetzte Energie wieder nicht nutzbringend verwendet, sondern zusammen mit der kinetischen Energie des Ankers an seinem Endanschlag in Wärme umgesetzt oder zur Deformation des Materials verwendet, was einen-schlechten Wirkungsgrad ergibt.

[0007] Die Magnetisierung des Eisens bewirkt nach dem Aufhören des Stromes in der Erregerspule des Magnetsystems eine Remanenz, die sich insoferne störend bemerkbar macht, als dadurch die Ansprechwerte des Zählrelais verschoben werden. So wird der Ansprechpunkt im folgenden Schaltvorgang durch einen wesentlich geringeren Stromfluß erreicht, da sich_das induzierte Magnetfeld auf das remanente Feld aufbaut. Dieser Restmagnetismus kann so stark sein, daß ein exaktes Abfallen des Magnetankers nicht mehr gewährleistet ist, oder dieser sogar am Magnetkern kleben bleibt. In jedem Fall ist ein erheblicher Aufwand erforderliche um diese Nachteile zu kompensieren, falls man nicht durch eine weitere Vergrößerung des wirksamen Luftspaltes den elektrischen Wirkungsgrad noch mehr verschlechtern möchte.

[0008] Es ist ferner bekannt, Zählwerke mit Schrittmotoren anzutreiben, wobei man die Raststellungen des permanentmagnetischen Rotors für die mechanische Positionierung der Ziffernrollen heranzient. Die Anwendung eines Schrittmotors bedingt jedoch einen nicht unerheblichen Aufwand für den Motor selbst, da dieser, bedingt durch sein Funktionsprinzip, sehr präzise gefertigt sein und außerdem mittels eines Zahnradgetriebes an das Ziffernrollenwerk angekoppelt werden muß. Anderseits erfordert die elektrische Ansteuerung des Schrittmotors genaue ein- oder mehrphasige Impulsfolgen, die oft nur durch aufwendige elektronische Spezialschaltungen realisiert werden können. Da aber auch diese Ansteuerelekttronik elektrische Energie verbraucht, wird oft der relativ gute Wirkungsgrad eines Schrittmotors dadurch wieder verschlechtert.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antrieb für ein elektromechanisches Rollen - Zählwerk zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Antriebe vermeidet und gegenüber diesen in seinem Aufbau wesentlich einfacher sein soll. Insbesondere soll der angestrebte Antrieb eine hohe Schaltfolgegeschwindigkeit und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad haben. Ferner besteht das Bedürfnis, die Ansteuerung des Zählwerkes mittels einfacher Stromimpulse zu ermöglichen, die keine elektronische Aufbereitung erfordern, wobei eine magnetische Remanenz und ein Klebenbleiben des magnetisch angezogenen Teiles vermieden sein soll.

[0010] Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung in einfacher Weise dadurch, daß der Schaltanker kraftschlüssig mit einer elektrischen Spule verbunden ist, die im Kraftfeld gleichpolig zueinander gegenüberliegender Permanentmagnetsysteme angeordnet ist und beim Hindurchfließen elektrischen Stromes von dem einen zum anderen Magnetsystem eine Ablenkung erfährt.

[0011] Da die Kraft, die die Spule auf den Schaltanker überträgt, über dem gesamten Auslenkungsbereich aufgrund der Spulengeometrie annähernd gleich ist, ist die Lage des Schaltpunktes der Ziffernrolle bezüglich des Weges unbedeutend, sodaß größere Toleranzen zugelassen werden können. Während man bei der Konstruktion des Magnetankerzählrelais darauf achten muß, den Schaltpunkt bzw, den Punkt der größten Leistungsabgabe in den an sich schon kurzen Bereich knapp vor dem Endanschlag zu legen, steht beim erfindungsgemäßen magnetodynamischen Antrieb ein relativ großer Weg zur Verfügung, der infolge der linearen Kraftverteilung zur Weiterschaltung des Zählers voll ausgenützt werden kann. Die Spule kann auch in ihrer Geometrie den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Einen wesentlichen Vorteil stellt allerdings die universelle elektrische Anpassungsmöglichkeit der Spule an bereits vorhandene Stromquellen dar. Es können daher teure Anpassungs- und Interfaceeinrichtungen entfallen, was wesentlich zur Verbilligung eines Systems beiträgt. Dadurch, daß die erfindungsgemäße Spule keinen Eisenkern enthält, ist die Induktion (B) auch nicht von einer sich mit der Feldstärke (H) ändernden relativen Permeabilität (U_rel) abhängig, wie die Gleichung zeigt. B=U_rel . U . H . Dabei stellt (U_o) die,absolute Permeabilität des leeren Raumes dar.

[0012] Die.Kraft, die eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld erzeugt, hängt alleine von der Induktion (B) des Magnetfeldes im Luftspalt , der Länge des Leiters (1) bzw. der Windungszahl und dem durch die Spule fließenden Strom (I) ab.

[0013] Das bedeutet, daß die Kraft (F) bei einer gegebenen Induktion (B) nur von der Amperewindungszahl abhängt. Bleibt dieses Produkt konstant, so kann Strom und Windungszahl jeweils in Abhängigkeit voneinander beliebig verändert werden (geringe Windungszahl - hoher Strom, hohe Windungszahl - geringer Strom). Dies gestattet, auch für gewisse Anwendungsfälle, eine Spule zu wählen, die eine minimale Selbstinduktion aufweist. Dadurch kann die Dämpfung auf ein für jedes System optimales Maß gebracht werden, was eine Beeinflussung auch der Schaltfolgegeschwindigkeit zuläßt.

[0014] In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemäßen Gegenstand mit einem schwenkbar gelagerten und Fig. 2 mit einem als Schieber ausgebildeten Schaltanker.

[0015] Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäß ausgebildete elektromechanische Zählwerk besteht aus mehreren auf einer Welle 1 sitzenden Ziffernrollen 2,3, von welchen jede über entsprechende

[0016] Triebzahnräder von der vorhergehenden Ziffernrolle antreibbar ist. Die Anfangsziffernrolle 3 trägt ein Gangrad 4, in dessen Zahnlücken abwechselnd die zahnförmigen Enden 5,6 eines U-förmigen Schaltankers 7, der um eine waagrechte. Achse 8 schwenkbar ist, eingreifen. Durch diesen abwechselnden Eingriff der Zahnenden 5,6 in die Zahnlücken des Gangrades 4 erfolgt ein schrittweises Fortschalten der Ziffernrolle 3 in die Richtung des Pfeiles 9.

[0017] Erfindungsgemäß trägt der Schaltanker 7 an der den Zahnenden 5,6 abgewendeten Seite an einem Arm 10 eine elektrische, drahtgewickelte Spule 11, die äußerlich die Form einer zylindrischen Scheibe hat und mit der Achse 8 in einer gemeinsamen Ebene liegt. Die Spule 11 ist im Magnetfeld zweier permanenter Magnete 12,13 angeordnet und wird je nach der Richtung des sie durchfließenden elektrischen Stromes entweder von dem Magnet 12 oder vom Magnet 13 angezogen bzw. abgestossen. Diese Bewegung der Spule 11 im Magnetfeld der Magnete 12,13 wird auf den Schaltanker 7 zwecks Fortschaltung der Ziffernrollen 2,3 übertragen.

[0018] Damit die Spule 11. nach Beendigung des Stromflusses in ihre Ausgangslage zurückkehren kann, greift eine Feder 14 am Schaltanker 7 an,

[0019] In Fig. 2 wurde die Drehbewegung des Ankers 7 durch eine Linearbewegung ersetzt, Der das Gangrad antreibende Schaltanker 15 ist als Schieber ausgebildet, an welchem direkt oder über eine kraftschlüssige Mechanik die Spule 11 befestigt ist. Er ist in einer entsprechenden Führung reibungsarm gelagert, und kann durch eine an ihn angreifende Feder 14 in die jeweilige Ausgangslage rückgeführt werden. Die Spule 11 selbst liegt wiederum im wirksamen Luftspalt zweier gleichpolig zueinander angeordneter Permanentmag - nete 12,13. Prinzipiell würde auch ein einziger Magnet ausreichen, der Wirkungsgrad erhöht sich aber bei Verwendung von zwei Magnetsystemen um ein Vielfaches,

[0020] Da die Bewegungsrichtung der Spule 11 von der Richtung des sie durchfließenden Stromes abhängig ist, kann die erforderliche Rückstellkraft statt über eine mechanische Feder auch über eine Richtungsänderung des Spulenstromes erhalten werden. Beispielsweise kann die Fortschaltung des Zählwerkes durch die zeitliche Folge eines positiven und negativen Impulses erfolgen. Dabei ist es nicht wesentlich, ob die beiden Impulse unmittelbar aufeinanderfolgen oder in zeitlich beliebigem Abstand auf den Zähler wirken. Aufgrund'dieser Eigenschaften ist auch eine bistabile Arbeitsweise des Zählers zu erreichen, wobei unabhängig von der Bewegungsrichtung der Spule 11 eine Weiterschaltung des Zählers um eine Zahl erfolgt, wenn zur Ansteuerung abwechselnd positive und negative Impulse vorliegen. Daraus folgt, daß nur eine in bezug auf die Stromrichtung des vorangegangenen Impulses inverse Stromrichtung einen Zählvorgang bewirken kann. Diese Betriebsart kann beispielsweise die Auswertung von Informationen aus logischen Schaltkreisen sowie auch aus Maschinensteuerungen wirtschaftlicher ermöglichen. Auch kann ein Betrieb des erfindungsgemäßen Zählers mit Wechselstrom realisiert werden, was besonders dann vorteilhaft erscheint, wenn das System in der Nähe seiner mechanischen Grenzfrequenz betrieben werden soll.

[0021] Au fgrund des äußerst geringen Energiebedarfes des erfindungsgemäßen Zählerantriebssystems steht hiemit ein Zählwerk zur Verfügung, das sich optimal für den Einsatz in batteriegespeisten Geräten wie z.B. Wärmemengenzählern, sowie für den Betrieb aus Solarbatterien eignet.

Ansprüche

1. Elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischenAddieren oder Subtrahieren von elektrischen Impulsen, bestehend aus einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Ziffernrollen, von welchen jede einzeln von der vorhergehenden antreibbar ist, wobei die Anfangsziffernrolle ein Gangrad trägt, an welches abwechselnd die im Endbereich eines elektromagnetischen Schaltankers angeordneten Vorsprünge angreifen und dadurch die Anfangsziffernrolle schrittweise in Drehung versetzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltanker (7;15) kraftschlüssig mit einer elektrischen Spule (11) verbunden ist, die im Kraftfeld gleichpolig zueinander gegenüberliegender Permanentmagnetsysteme (12,13) angeordnet ist.und beim Hindurchfließen elektrischen Stromes von dem einen zum anderen Magnetsystem eine Ablenkung erfährt.

2. Zählwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Spule (11) und Schaltanker (7;15) umfassenden Antriebssystem mechanisch im Gleichgewicht befindet.

3. Zählwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) die Form einer innen hohlen zylindrischen Scheibe hat.

4. Zählwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule selbst integrierter Bestandteil eines Schaltankers ist.

5. Zählwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) nach Auslenkung durch die elektromotorische Kraft in die Ausgangslage durch eine am Schaltanker (7;15) angreifende Feder (14) rückführbar ist.

6. Zählwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gezeichnet, daß die Spule (11) in die Ausgangslage durch einen Steuerstrom mit umgekehrter Polarität rückführbar ist,

Zeichnung