ELECTROMECHANICAL COUNTER FOR CONTINUOUS NUMERICAL ADDING OR SUBSTRACTING

Abstract: 1. Electromechanical counting unit for continuous numerical addition or subtraction of electrical impulses, consisting of one or several successively arranged number rolls (2, 3), of which each individual one can be driven by the preceding one, wherein the starter number roll (3) carries a gear wheel (4) against which alternately engage projections (5, 6) arranged in the end region of a switching armature (7) connected to an electrically operated coil (11) in the force field of a permanent magnet system (12, 13) and thereby displace the starter number roll (3) into stepwise rotation, characterised in that the coil (11) is arranged in the effective air gap between similar pole oppositely lying permanent magnet systems (12, 13) coaxially in their force field, that the coil (11) on electrical current flowing through it undergoes a displacement in the axial direction of the permanent magnet system from the one magnet system to the other, and that the coil (11) and the permanent magnet systems (12, 13) are constructed in the shape of discs.

Description: Elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Zählwerk zum fortlaufenden numerischen Addieren oder Subtrahieren von elektrischen Impulsen, bestehend aus einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Ziffernrollen, von welchen ede einzeln von der vorhergehenden antreibbar ist, wobei die Anfangsziffernrolle ein Gangrad trEgt,an welches abwechselnd die im Endbereich eines elektromagnetischen Schaltankers angeordneten Vorsprünge angreifen und dadurch die Anfangsziffernrolle schrittweise in Drehung versetzen Elektromechanische Zählwerke werden bekannterweise auf der Basis und Technologie eines Relais gebaut und betrieben. Dazu wird eine um einen Weicheisenkern gewickelte Spule 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 Feder5 welche durch die Schwenkbewegung des Plättchens gespannt worden ist, wieder in seine Ruhelage rückgebracht. Diese bekannten Zählrelals 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 ZählSolge, 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 Seulenkern oder in die Spule gezogen wird, eine Funktion des magnetischen LuStspal- tes 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. 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. Nach dem dynamischen Grundgesetz F (Kraft) - m (Masse) . a (Beschleunigung) ist, da die Masse konstant bleibt, die Beschleunigung nur von der Kraft (F) abhängig. Danach gilt: a = k . F, wenn man (k) als Konstante für den Reziprokwert der Masse einsetzt. Da die Kraft (F) ifl der An fangspnase des Ankeranzuges ein Minimum ist, ist auch die Be schleunigung (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 (p) des Zählwerkes - abgegebene Energie / zugeführte Energie 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. Die Magnetisierung des Eisens bewirkt nach dem Aufhören des Stromes in der Erregerspule des Magnetsystems eine Remanenz, die sich insoferne störend bemerkbar macht, als da- sch die Ansprechwerte des Zählrelais verschoben werden. So wird der Ansprechpunkt im folgenden Schaltvorgang durch einen wesentlich geringeren Stromfluss erreicht, da sichdas 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 erforderlich, um diese Nachteile zu kompensieren, falls man nicht durch eine weitere Vergrösserung des wirksamen Luftspaltes den elektrischen Wirkungsgrad noch mehr verschlechtern möchte Es ist ferner bekannt, Zählwerk mit Schrittmotoren anzutreiben, wobei man die Raststellungen des permanentmagnetischen Rotors für die mechanische Positionierung der Ziffern rollen heu entw Die Anwendung eines Schrittmotors be- dingt 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 Impuls folgen, 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. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Antrieb für ein elektromechanisches Rollen-Zählwerk zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Antriebe vermeiaet und gegenüber diesen in seinem Aufbau wesentlich einsfacher sein soll. Insbesondere soll der angestrebte Antrieb eine hohe Schalt folgegeschwindigkeit und einen hohen elektrischen Wirkungs- grad 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 Klebenblelben des magnetisch angezogenen Teiles vermieden sein soll. 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. 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 (Urel) abhängig, wie die Gleichung zeigt. B:Ure1 . U0 . H . Dabei stellt (U0) diesabsolute Permeabilität des leeren Raumes dar. Die Kraft, die eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld erzeugt, hängt alleine von der Induktion (B) des Magnet feldes im Luftspalt , der Länge des Leiters (1) bzw. der Windungszahl und dem durch die Spule fliessenden Strom (I) ab. F=B.l.I 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. In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungs- beispielen näher veranschäulicht. Es zeigen Fig. 1 den erfindungsgemässen Gegenstand mit einem schwenkbar gelagerten und Fig, 2 mit einem als Schieber ausgebildeten Schaltanker. 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 Trieb Zahnräder von der vorhergehenden Ziffernrolle antreibbar ist. Die Anfangsziffernrolle 3 tragt ein Gangrad , 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. 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. Damit die Spule 11. nach Beendigung des Stromflusses in ihre Ausgangslage zurAckkehren kann, greift eine Feder 14 am Schaltanker 7 an, In Fig. 2 wurde die Drehbewegung des Ankers 7 durch eine Linearbewegung ersetzt, Der das Gangrad antreIbende Schalt anker 15 ist als Schieber ausgebildet, an welchem direkt oder über eine kraftschlüssige Mechanik die Spule 11 be festigt ist. Er ist in einer entsprechenden Führung rei bungsarm 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. 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 Weiterscältung 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. Aufgrunes äusserst geringen Energiebedarfes des erfindungsgemässen Zählerantriebssystems steht hiemit ein Zählwerk zur Verfügung, das snch optimal für den Einsatz in batteriegespeisten Geräten wie z.B. Wärmemengenzählern, sowie für des Betrieb aus Solarbatterien eignet.

Claims: Patentansprüche: 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 Schalt ankers 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 rund 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 ge zeichnet dass die Spule (11) in die Ausgangslage durch einen Steuerstrom mit umgekehrter Polarität rückführbar ist.

Inventors: MIKLIK, WERNER
Applicants: ANTON MATTIG KOMMANDITGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: G06M1
IPC codes: G06M1