Elektrische Schalteinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung mit einem Schaltelement, welches von einem drehbaren Betätigungsteil gesteuert, mit zwei parallelen Kontaktbahnen versehen und mittels dieser federnd an zwei Kontaktbahnen abdrück- und abroll- bar ist, und bei welchem wenigstens eine dieser Kon taktbahnen durch eine Anzahl von nichtleitenden Ab schnitten unterbrochen ist.
Die bisher bekannten elektrischen Schalteinrichtun gen dieser Art besitzen als Kontakte Systeme von Fe dern oder sogenannte Kontaktbürsten, die beim Um schalten an den Kontaktoberflächen gleiten. Der Nach teil so gestalteter Einrichtungen besteht darin, dass man zur Erreichung einer einwandfreien Berührung zwi schen dem Kontakt und dem Stromabnehmer gezwun gen ist, eine verhältnismässig grosse Anpresskraft zu wählen, die beim Umschalten einen grossen Widerstand verursacht. Daraus ergibt sich ein auf die Achse der Schalteinrichtung einwirkendes grosses Drehmoment.
Ausserdem erfolgt bei Kommutatoren, bei welchen die Stromabnehmer als an die Kontaktoberfläche federnd angedrückte Kohlen ausgebildet sind, eine beträchtliche Kohlenabnutzung und ein Verschmieren von Kohlen teilchen auf die ganze Schaltbahn. Ferner wirkt sich der verhältnismässig hohe spezifische Widerstand des Koh lenwerkstoffs ungünstig aus. Der beim Kohlenverschleiss entstehende Kohlenstaub dringt in die Lager ein, was sich besonders bei kleinen Elektromotoren ungünstig auswirkt.
Ein weiterer mit der Verwendung eines Kom- mutators bekannter Bauart zusammenhängender Nach teil ist die grosse Lärmentwicklung, was besonders bei der Verwendung eines Kollektormotors bei transportab len, zur Tonaufnahme dienenden Einrichtungen nach- teilig ist. In elektrischer Hinsicht stört auch das Bürsten feuer, welches beim übergang der Kohle von einer La melle auf die andere entsteht.
Dieses Bürstenfeuer ist eine Folge der plötzlichen Änderung der Richtung des Stromes, der durch die Kohle bei deren Übergang zwi- schen zwei nebeneinander liegenden Lamellen durch geht.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die an geführten Nachteile zu beseitigen. Zur Erreichung die ses Zieles ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement mit Hilfe einer Feder, eines Gleitfutters und einer elektrisch nichtleitenden Nabe auf einer mit der Achse eines die eine Kontaktbahn tra genden Speiserings und eines die andere Kontaktbahn tragenden Kollektorringes konzentrischen Welle ange bracht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann je weils eine Anzahl der leitenden Abschnitte des Speise ringes in Gruppen zusammengefasst sein. Diese Ab schnitte sind dann elektrisch untereinander verbunden, und die Gruppen an voneinander getrennten Klemmen zum Anschluss an Quellen unterschiedlicher Spannun gen geführt.
Es kann auch zweckmässig sein, wenn jeweils zu verschiedenen Gruppen gehörende, aufeinanderfolgende leitende Abschnitte des Speiseringes einem leitenden Ab schnitt des Kollektorringes zugeordnet werden, wobei dann die Lagen der nichtleitenden Abschnitte des Kol- lektorringes den Lagen der nichtleitenden Abschnitte zwischen leitenden Abschnitten von aufeinanderfolgen den Gruppen des Speiseringes entsprechen.
Beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsge genstandes sollen anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Achsenschnitt durch die elektrische Schalteinrichtung, Fig. 2 einen Schnitt A-A durch die Schalteinrich tung gemäss Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung des Speiserings und des Kollektorringes der elektrischen Schalteinrich tung gemäss Fig. 1, Fig.4 den Spannungsverlauf in der Schalteinrich tung gemäss Fig. 3,
Fig.5 eine weitere schematische Darstellung des Speiserings und des Kollektorrings der Schalteinrich tung, Fig. 6 den Spannungsverlauf in der Schalteinrich tung gemäss Fig. 5, Fig. 7 eine schematische Darstellung des Speiserings und des Kollektorrings der elektrischen Schalteinrich tung mit Lamellengruppen und den nichtleitenden Ab schnitten, Fig. 8 den Spannungsverlauf in der Einrichtung ge- mäss Fig. 7,
und Fig.9 einen Achsenschnitt durch die elektrische Schalteinrichtung, bei welchem das Betätigungselement die Schalterkontakte umgibt.
Die elektrische Schalteinrichtung gemäss Fig. 1 be steht aus einem nichtleitenden Körper 1, worin ein Speisering 10 und ein Kollektorring 11 angebracht sind. Im Hohlraum des Körpers 1 ist eine Welle 2 mit Achse 20 und eine nichtleitende Nabe 3 mit Achse 30 ange bracht. Die Achsen 20 und 30 sind gegenseitig parallel und exzentrisch. Die exzentrische Lage wird durch Fe der 22 gesichert, welche durch einen ihren Teil mit Hilfe der Schraube 21 zur Welle 2 befestigt ist, wäh rend sie sich durch ihren anderen Teil an die nicht leitende Nabe 3 in der Nut 31 anlehnt. Auf der Nabe 3 ist ein Gleitfutter 32 angebracht, an welchem ein Schaltelement 4 drehbar angeordnet ist. Die axiale Lage des Schaltelements 4 ist durch den Ring 33 gesichert.
Zwecks Herabsetzung der Reibung ist das Schaltele ment 4 mit einer inneren Aussparung 41 versehen, während auf seinem Umfang eine äussere Aussparung 42 und Funktionsflächen 43 ausgebildet sind, mit deren Hilfe das Schaltelement 4 die Oberfläche 101 des Spei serings 19 bzw. die Oberfläche 111 des Kollektorrings 11 berührt.
Der Kollektorring 11 ist so ausgeführt, dass darin eine nichtleitende Lücke 112 ausgebildet ist, welche in diesem Falle 180 des Umfangs des Kollektorrings 11 einnimmt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Lücke 112 ist mit einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff so aus gefüllt, dass eine glatte Oberfläche 111 des Kollektor rings 11 erhalten bleibt.
Der elektrische Schalter kann auch so konstruiert werden, wie es in Fig. 9 veranschaulicht ist. In diesem Falle ist die Welle mit Achse 20 unbeweglich, während der Körper 1 des Schalters drehbar ist. Auf der Welle 2, die nichtleitend ist, ist der Speisering 10 und der Kollek- torring 11 mit Oberflächen 101 und 111 ausgeführt. Im Körper 1 ist eine Nut 13 ausgeführt, in welcher die Feder 22 mit ihrem mittleren Teil angebracht ist. Durch ihre Enden ist die Feder 22 in der Nut 31 der nichtleitenden Nabe 3 angebracht.
In der nichtleiten den Nabe 3 ist ein Gleitfutter 32 ausgebildet, die das Schaltelement 4 führt. Durch die Wirkung der Feder 22 sind die Funktionsflächen 43 des Schaltelements 4 zu den Oberflächen 101 und 111 des Speiserings 10 und des Kollektorrings 11 gedrückt.
Der elektrische Schalter kann auch so konstruiert werden, dass die Nabe 3 aus einem leitenden und das Gleitfutter 32 aus einem nichtleitenden Werkstoff her gestellt werden.
Die Funktion der elektrischen Schalteinrichtung nach Fig. 1 und 2 ist wie folgt. Der Speisering 10 ist an eine Spannungsquelle angeschlossen; die Quelle und An- schlussart sind nicht dargestellt, da sie für die Funktion des Erfindungsgegenstandes nicht wesentlich sind. Der Kollektorring 11 ist zur Abführung der Spannung von dem Speisering 10 mit Hilfe des Schaltelementes 4 aus geführt. Die Nabe 3 ist durch Feder 22 in die in Fig. 1 dargestellte Lage gedrückt. In der dargestellten Lage lehnt sich das Schaltelement 4 durch einen kleinen Teil der Funktionsflächen 43 an die Oberfläche 101 bzw. 111 des Speiserings 10 und des Kollektorrings 11 an.
Theoretisch beschränkt sich die Berührung auf eine Gerade. Dadurch wird der Speisering 10 mit dem Kol- lektorring 11 zusammengeschaltet und die auf den Spei sering 10 zugeführte Spannung kann vom Kollektorring 11 abgeführt werden. Die aus einem Isolierstoff aus geführte Nabe 3 schützt den weiteren Mechanismus des elektrischen Schalters - Feder 22 und Welle 2 - vor der leitenden Verbindung mit der geschalteten Span nung. Beim Drehen der Welle 2 wird mit Hilfe der Schraube 21 die Feder 22 mitgenommen, die dann wieder mit Hilfe der Wände der Nut 31 die Nabe 3 mitnimmt.
Dadurch wird auch das Schaltelement 4 mit genommen und an den Oberflächen 101 und 111 des Speiserings 10 und des Kollektorrings 11 gerollt. Der radiale Druck der Feder 22 gewährleistet eine ständige und vollkommene Berührung der Funktionsflächen 43 des Schaltelementes 4 mit den Oberflächen 101 und 111. In dem Augenblick, wenn die Berührungsstelle des Schaltelements 4 mit dem Speisering 10 und dem Kol- lektorring 11 in eine Stellung übergeht, wo in dem Kollektorring 11 eine nichtleitende Lücke 112 gebildet wird, wird die Schaltung der beiden Ringe unterbro chen und der Schalter leitet keine Spannung - wird also abgeschaltet.
Der Schaltcharakter der Schalteinrichtung nach Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 und 4 dargestellt. Der Speisering 10 und der Kollektorring 11 sind nebeneinander durch dicke Linien dargestellt, während die nichtleitende Lük- ke 112 durch eine dünne Linie dargestellt ist. Das Schaltelement 4 ist schematisch durch Pfeile dargestellt, deren Spitze die Stelle seiner Berührung mit der Ober fläche 101 bzw. 111 des Speiserings 10 bzw. des Kol- lektorrings 11 bestimmt.
Die in Fig. 3 dargestellte Aus gangslage entspricht dem Anfang des Diagramms nach Fig. 4, d. h. der 0 Lage.
Beim Drehen des Schaltelementes 4 in Richtung des Pfeils S leitet der Schalter in den Stellungen 0 bis 180 den Strom, während er in den Stellungen 180 bis 360 abgeschaltet wird. Kann also durch den Schalter nach Fig. 1 beim Anschluss des Speiserings 10 an eine Gleichstromquelle auf dem Kollektorring 11 eine pul sierende Spannung gewonnen werden, deren Verlauf in Fig. 4 dargestellt ist. In dieser Figur wird auf die hori zontale Achse die Stellung des Schaltelementes 4 und auf die vertikale Achse die Spannung auf dem Kollek- torring 11 aufgezeichnet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Schaltein richtung kann der Kollektorring 11 so ausgebildet wer den, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, d. h. mit drei schmalen nichtleitenden Lücken 113, 114, 115, die gegenseitig 120 voneinander entfernt sind. Beim An- schluss des Speiserings 10 an eine Gleichstromquelle können in den einzelnen Teilen X, Y, Z des Kollektor- rings 11 sukzessiv elektrische Pulse gewonnen werden, deren Breite einer Umdrehung des Schaltelementes 4 um 120 entspricht und deren Anfangspunkte gegen einander gleichfalls um 120 verschoben sind.
Der Ver lauf der einzelnen Spannungen ist in Fig. 6 dargestellt. Können also durch den nach Fig. 5 ausgeführten Schal ter elektrischer Pulse derselben Länge in drei Phasen und um 120 gegenseitig verschoben, gewonnen werden.
Es ist auch möglich, den Speisering 10 mit einer grösseren Anzahl von nichtleitenden Lücken auszu führen, z. B. mit neun Lücken, wie in Fig. 7 veran schaulicht ist. Dadurch werden auf dem Speisering 10 neun Lamellen 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110 ausgebildet. Der Kollektorring 11 besitzt drei nichtleitende Lücken 113, 114, 115 ähnlich wie in dem vorhergehenden Falle. Die auf dem Kollektorring 11 ausgebildeten nichtleitenden Lücken 113, 114, 115 ent sprechen durch ihre Lage den drei konkreten Lücken auf dem Speisering 10.
Diese drei konkreten Lücken trennen das System der einzelnen Lamellen in drei Gruppen, die wieder als X, Y, Z bezeichnet werden. Die mittlere Lamelle 103, 106, 109 jeder der Gruppen X, Y, Z wird an eine Quelle höherer Spannung ange schlossen, z. B. 12 V, während die übrigen Lamellen 102, 104, 105, 107, 108, 110 an eine Quelle niedrigerer Spannung, z. B. 6 V, angeschlossen werden. Beim Dre hen des Schaltelements 4 aus der dargestellten Aus gangslage in Richtung des Pfeiles S wird an die ent sprechenden Teile des Kollektorrings 11 eine Spannung abgestufter Grösse so zugeführt, wie es in Fig. 8 graphisch dargestellt ist.
Die einzelnen in Phasen X, Y, Z gewonnenen Pulse, die wieder gegenseitig um 120 verschoben sind, haben einen Charakter, der sich ei nem Sinusverlauf nähert. Bei der Ausbildung einer grösseren Lamellenzahl in den einzelnen Gruppen des Speiserings 10 und bei einer entsprechenden Abstu fung der an die einzelnen Lamellen zugeführten Span nungen, kann der Verlauf der Pulse noch mehr einem Sinusverlauf angenähert werden.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass immer zwei neben einanderliegende Lamellen 104, 105; 107, 108; 110, 102 des Speiserings 10, von welchen jede einer anderen Gruppe angehört, z. B. die Lamellen 104, 105 der Grup pe XY, an die Quelle derselben Spannung ange schlossen sind. Es ist daher nicht erforderlich, zwi schen ihnen eine nichtleitende Lücke auszubilden.
Die Trennung dieser beiden Lamellen, d. h. der Übergang von Gruppe X zur Gruppe Y, wird durch eine ent sprechende nichtleitende Lücke 113 auf dem Kollek torring 11 ausgeführt.
Der vorbeschriebene Schalter hat gegenüber den bis herigen Schaltern, insbesondere Kommutatoren bekann ter Bauart folgende Vorteile: Der Andruck des Schaltelements 4, das die Form eines Rings hat, ist wesentlich kleiner als der Andruck, welcher an die Kontaktbürsten eines Kommutators lau fender Bauart ausgeübt wird. Das Schaltelement 4 kann aus einem gut leitenden Werkstoff, z. B. aus Kupfer ausgeführt werden, wodurch sein spezifischer Wider stand herabgesetzt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich kein Abrieb bildet, wie es bei Kontakt bürsten der bisher verwendeten Kommutatoren der Fall war.
Das Rollschaltelement 4 weist ferner einen mini malen Verschleiss auf und der Lauf eines solchen Schal ters bzw. Kommutators ist gegenüber bestehenden Kon- struktionen wesentlich stiller. Alle diese Tatsachen be deuten eine Herabsetzung der erforderlichen Antriebs kraft und durch das Rollen der Kontakte wird auch das Bürstenfeuer beim Übergang über die nichtleitende Lücke wesentlich kleiner, eventuell, wenn kleine Strö me geschaltet werden, tritt es gar nicht auf.
Bei der Schaltung grösserer Ströme kann das Bürstenfeuer durch die Schaltung einzelner Lamellen des Speiserings 10, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, wesentlich herabgesetzt werden, so dass die beim Übergang von einer Lamelle zu der anderen geschaltete Spannung niedriger als der maximale geschaltete Wert ist. Gleichzeitig kann der Verlauf der geschalteten Spannung beliebig ausgebildet werden, wie aus Fig. 6 und 8 ersichtlich ist.
Alle diese Vorteile machen sich besonders bei klei nen transportablen Geräten bemerkbar, insbesondere bei Motoren für Aufnahmekameras bzw. Tonbandgeräte und bei Kommutatoren, die in Geräten zur Vertonung von Amateurfilmen verwendet werden, und zwar sowohl in Projektoren als auch in Tonkopplern, d. h. Geräten, die einen richtigen Gleichlauf des Laufbildwerfers und des Tonbandgerätes gewährleisten.
Die Vorteile des vor beschriebenen Schalters machen sich besonders bei zur Vertonung des Films dienenden Amateurgeräten be merkbar, da keine die Tonaufnahme störende Funken bildung entsteht und auch die mechanischen und elek trischen Widerstände wesentlich herabgesetzt werden, so dass die Leistungsfähigkeit der eingebauten Batte rien relativ erhöht wird.