CN101341564A - 用于驱动开关设备的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动开关设备的方法，该开关设备具有至少一个电磁驱动装置(1)，该电磁驱动装置具有可移动的衔铁(10)，该衔铁用于断开或闭合该开关设备的至少一个主触点(15)。根据本发明，识别在电磁驱动装置(1)中在断开主触点(15)时的第一位置(AUS)和在接通主触点(15)时的第二位置(EIN)之间的磁通量变化，然后，在磁通量变化超过预定值时，将电磁驱动装置(1)的线圈电流(i)在第二位置(EIN)中限定为可预定的最小电流值(IL)。因此其主要优点在于，当测量磁通量的相关变化时，可以可靠地识别衔铁(10)的驱动移动。此外，无接触地实现了在测量技术上检测磁通量。

Description

用于驱动开关设备的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于驱动根据权利要求1的前序部分的开关设备的方法，以及一种根据权利要求8的前序部分的相应的装置。
背景技术
利用开关设备特别是低压开关设备可以接通在供电装置和负载之间的电流通路进而可以接通其工作电流。这就是说，通过由开关设备断开和闭合电流通路，可以安全接通和断开所连接的负载。
为了接通电流通路，低电压开关设备(例如接触器、断路器或者结构紧凑型启动器)具有一个或多个所谓的主触点，该主触点可以由一个或多个控制磁铁或电磁驱动装置来控制。在此，主触点原理上由可移动的触桥和固定的接触件组成，负载和供电装置连接到其上。为了闭合和断开主触点，将与此相应的接通或断开信号发送到电磁驱动装置上，紧接着其利用衔铁作用到可移动的触桥上，该触桥相对于固定的接触件进行相对移动，接通待接通的电流通路或断开电流通路。
为了更好地在接触件和触桥之间形成接触，在二者彼此相遇的位置上设置相应形成的接触面。该接触面由多种材料组成，例如银合金，该材料不仅在该位置上安装到触桥上而且安装到接触件上且具有确定的厚度。
通常电磁驱动装置设计为螺线管。在此，该螺线管具有作为励磁线圈的活动线圈以及衔铁。为了传导磁通量，电磁驱动装置由铁磁轭围绕。如果励磁线圈为了接通开关设备而被加载电流，从而衔铁被引入到励磁线圈的圆柱形开口中。通过衔铁的移动，最后与衔铁机械连接的接触滑块被操纵，该接触滑块自身又移动触桥，用于闭合主触点。
为了将线圈电流提供给励磁线圈，上述类型的开关设备具有电源，该电源由电网侧的输入交变电压产生在12V至24V的范围内的低压直流电压。典型的电网侧输入电压为230V50Hz或110V60Hz。新式的时钟电源具有较宽的输入电压范围，由约100V至230V。此外，该电源可以向开关设备的控制电子装置和监控电子装置提供电流。
在接通过程中，这就是说，在电流供给接通到励磁线圈直到到达在此衔铁被完全吸上的打开位置的时间段中，励磁线圈的电流需求非常高。这是由于磁化电流用于产生磁场以及用于将磁能量转换为机械的移动能量。如果该线圈电流在到达接通位置后继续由电源提供，从而励磁线圈将会被加热到烧坏电磁线圈进而会导致开关设备出现故障。
出于这个原因，线圈电流被限定为保持电流，该保持电流相对于在接通过程中的最大电流明显地比较小。这例如可以借助于定时器来实现，该定时器在预定的时间后通过电源致使了线圈电流的限制。该解决方案的不利方面在于，没有实现关于实际操纵电磁驱动装置的反馈。开关设备的主触点可能未完全通过电磁驱动装置接通。这可能是这种情况，即当在衔铁和电磁驱动装置的圆柱形开口之间储存脏物时，并且由此而发生在电磁驱动装置的这两个元件之间出现阻塞。
可选择地，可以借助于一个或多个开关触点询问接通位置，通过该接通位置可以致使由电源提供的线圈电流的限制。这个解决方案的不利方面在于，该开关的触点可能被弄脏。在这种情况下，如在开头所述的情况下，所提高的线圈电流又由电源提供而具有上述可能的不利结果。
为了安全地驱动开关设备，进而保护负载和电设施，所以必须避免这种故障源。
发明内容
本发明的目的在于，识别这种潜在的故障源并且相应地对此作出反应。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求8的特征的装置来实现。
本发明以较少的费用实现了对线圈电流的可靠的调节或者说限制并且实现了有关与此的可靠的反馈，即电磁驱动装置实施了一种操纵移动(或者说致动移动)。
为此根据本发明，识别在电磁驱动装置中在断开主触点时的第一位置和在接通主触点时的第二位置之间的磁通量变化，以及当磁通量变化超过预定值时，将电磁驱动装置的线圈电流在第二位置中限定为可预定的最小电流值。
在接通开关设备时，衔铁插入到电磁驱动装置的励磁线圈的圆柱形开口中。通过衔铁的移动，还可以操纵与其相关或连接的接触滑块，该接触滑块本身又移动触桥，用于闭合主触点。通过移动衔铁，同时磁场在电磁驱动装置的圆柱形开口中改变。这种改变引起了磁通量的改变，可以在测量技术上检测该磁通量。如果磁通量变化超过了预定值，从而将线圈电流限定为预定最小值，为此，电磁驱动装置在接通位置中保持足够地稳定。
由此其突出的优点在于，当识别或测量磁通量的相关变化时，衔铁的操纵移动可以被识别为可靠的。此外无接触地实现了对磁通量在测量技术上的检测。由此避免了用于检测接通位置的开关触点的磨损或污染。
在一个特定的实施例中，可以借助于感应线圈来识别磁通量变化。在这种情况下，该线圈可以作为空气线圈被安装在电磁驱动装置的圆柱形开口的区域内。可选择地，该线圈具有相对于衔铁的直径稍微较大的直径。如果现在将测量线圈推向且固定于衔铁上，从而在操纵(或者说致动)衔铁的情况下可以在线圈的电线端部测量感应电压，该感应电压通过在此改变的磁通量来感应。该测量电压例如可以借助于比较器与比较值进行比较。该比较器的输出信号可以作为调节信号(或者说限制信号)(Abregelsignal)继续发送给电源。
在应用测量线圈时突出的优点在于，当衔铁移动变化以及进而磁通量改变足够迅速地实现时，在测量线圈中才感应足够高的测量电压。这意味着，在非常缓慢地操纵移动(或者说致动移动)衔铁时，例如由于弄脏衔铁，在测量线圈中感应不充足的电压。所以还未产生用于调节或限制线圈电流的信号。这种存在缺陷的开关特性由此可以由在后接通的监测电子装置来处理。
可选择地，磁通量变化还可以借助于磁性传感器，特别是借助于霍尔传感器来识别。通过选择具有特别小的几何尺寸的霍尔传感器，有利地甚至在狭窄条件下也可以检测磁通量变化。
在一个特别有利的实施例中，该电子驱动装置通过至少一个永磁体来支持。这种类型的驱动装置的优点在于，在接通位置和断开位置中在该衔铁上产生额外的保持力(或者说磁力)。在接通和断开永磁体支持的电磁驱动装置时，克服这种额外的保持力，这导致了在磁路中一个或多个永磁体的磁通量的变化。一个或多个永磁体的磁通量的变化可以借助于前面所述的测量装置识别或测量。对于支持驱动装置的永磁体来说，其优点在于，由于作用在衔铁上的永磁体的保持力(Fesselungskraft或者说磁力)在典型的0.1mm的短距离之后强烈地减小，几乎没有出现开始移动的缓动进程。衔铁移动由此在接通过程和断开过程中通过切换周期仅轻微地改变。由此，切换过程以有利的方式突然地实现，从而在始动时刻(Losbrechzeitpunkt)，衔铁的移动相对于完全电磁驱动立即且以全部力来实现。
在特别有利的实施例中，可以识别或测量在励磁线圈的外部或者在电磁驱动装置的围绕励磁线圈的内部磁轭的外部的磁通量变化。通常除了用于引导衔铁的圆柱形开口之外，铁磁轭几乎完全地围绕励磁线圈，从而用于衔铁移动的通过励磁线圈产生的磁场大部分在圆柱形开口中形成。
测量装置的上述布置的突出的优点在于，仅仅通过基于衔铁移动的外部永磁体的磁路的改变而引起磁通量变化。由此避免了永磁体激励的磁通量与由励磁线圈产生的(电)磁通量可能出现的不利地叠加。由于一个或多个永磁体的磁通量的改变，所以可以产生用于调节励磁线圈的线圈电流的非常可靠的信号。
在另一实施例中，识别或测量在多个永磁体中的一个永磁体的漏磁场中的磁通量变化，该漏磁场根据衔铁的位置以及与此连接的导磁件来改变。这在图2的示例中还将进一步阐述。
根据另一实施例，当在接通线圈电流后的预定时间段结束后，未在开关设备的电磁驱动装置中识别出磁通量变化时，发出错误信息。该预定的时间段可以在0.2s至1s的范围内。如果在时间段内借助上述测量装置不能发现信号，从而可以由此得出，尽管提供了线圈电流，但衔铁未移动或非常缓慢地移动。其原因在于，可能电磁驱动装置的机械部件被污染或磨损。
此外该目的通过用于实施所描述的根据本发明的方法的开关设备来实现，该方法用于切换负载，其中开关设备是接触器或者断路器或紧凑型支路(Kompaktabzweig)。
开关设备还可以具有相应于根据本发明方法的装置，该装置用于接通负载，其中该开关设备是保护装置或者断路器或紧凑型支路。
特别地，该开关设备是具有三个主触点的三极式开关设备，主触点用于将三个电流通路与电磁驱动装置接通和断开。
本发明其他有利的实施例和优选的改进方案在从属权利要求中获悉。
附图说明
下面借助随后的附图进一步描述本发明以及其有利的实施例。其示出了：
图1是根据本发明的方法的简化的流程框图，
图2是根据本发明的装置的实施例的截面图，具有永磁体支持的电磁驱动装置，
图3是力/路径图表，在该图表中绘出了在接通位置和断开位置之间的路段中的根据图2的电磁驱动装置的各个部件的力，
图4是用于限定根据图2的励磁线圈的线圈电流的示例性电路图，
图5示出了用于根据图2的装置的线圈电流以及电源的输入电压的示例性时间曲线。
具体实施方式
如在图1中示出，在根据本发明的方法中基本上实施下面的两个步骤：
步骤a)识别在电磁驱动装置中在断开主触点时的第一位置和在接通主触点时的第二位置之间的磁通量变化，以及
步骤b)当磁通量变化超过预定值时，将电磁驱动装置的线圈电流在第二位置中限定为可预定的最小电流值。
进而当电磁驱动装置的衔铁移动并且该衔铁由此改变电磁驱动装置的磁路时，获得或测量磁通量的变化。由此无接触地实现了在测量技术上检测磁通量。
图2示出了根据本发明的装置的实施例的截面图，该装置具有永磁体8支持的电磁驱动装置1。在截面图中示出了励磁线圈6，该励磁线圈卷绕在线圈体7上。该励磁线圈6例如具有两个用于提供线圈电流i的接头。以标号u来标注相应的线圈电压。线圈体7和励磁线圈6形成圆柱形的开口OF，电磁驱动装置1的衔铁10可以在该开口中移动。衔铁10具有匹配于圆柱形开口OF的尺寸的圆柱形销11以及安装在其上的挡板12。在此，整个衔铁10由铁磁材料且特别是软磁材料例如铁制造。线圈体7和励磁线圈6由软磁材料构成的内部磁轭围绕，用于传导由励磁线圈7产生的磁场的磁通量，其中一部分内部磁轭5延伸到圆柱形的开口OF中，并且在那里形成内部磁极(Pol)19。如此产生的磁场最后仅在圆柱形的开口OF的范围内起作用。
根据本发明，识别在电磁驱动装置1中在当断开主触点15时的第一位置和当接通主触点15时的第二位置之间的磁通量变化，当磁通量变化超过预定值时，电磁驱动装置1的线圈电流i在第二位置中被限定为可预定的最小电流值。磁通量变化例如可以借助于磁性传感器来测量，该传感器安装在圆柱形开口OF的起始区域EO中。出于简明的原因，该磁性传感器在图2的示例中本身并未示出。
根据本发明的实施例，电磁驱动装置1通过至少一个永磁体8支持，从而在电磁驱动装置1的接通位置且在断开位置中在衔铁10上产生额外的保持力(或者说磁力)。在此，永磁体8安装在电磁驱动装置1的内部磁轭5的外侧面上。两个永磁体8的磁极分别以标号N和S标注。永磁体8优选地沿着内部磁轭5的圆周来设置。还可以应用磁环或磁圈来代替多个永磁体8，该磁环或磁圈如此分成两级，即在其内侧面上产生北极N或南极S，并且在其外侧面上产生南极S或北极N。永磁体8的朝向外部的侧面在图2的示例中与盆形软磁的外部磁轭4连接。该外部磁轭4同样具有圆柱形开口，接触滑块13插入该圆柱形开口中。接触滑块13可以借助于衔铁10的挡板12来操纵，从而与接触滑块13连接的触桥18可以相对于固定触桥16作为电流通路移动。以标号17来标注主触点15的触点。当衔铁10在励磁线圈6的电流励磁中伸入到圆柱形开口OF中时，接触弹簧14用于将触点压力施加到触桥18上，用于闭合主触点15。
此外，在内部磁极19和衔铁10的圆柱形销11之间的圆柱形开口OF的内部安装复位弹簧9，该复位弹簧在励磁线圈6的无电流状态中从圆柱形开口OF中将衔铁10驱动出。衔铁10的圆柱形销11的几何尺寸、内部磁轭5的外侧面以及外部磁轭4的内侧面如此相互协调，使得衔铁10的挡板12在励磁的接通位置中抵靠在内部磁轭5的外侧面上且在去励磁的状态中抵靠在外部磁轭4的内侧面上。在此，挡板12的虚线图示出了电磁驱动装置1的接通位置。
这种永磁体8支持的电磁驱动装置1的优点在于，由于在衔铁10上的永磁体的保持力(或者说磁力Fesselungskraft)在典型的0.1mm的短距离之后强烈减小，起始移动的缓动进程在切换操作中几乎没有出现。衔铁移动由此在接通过程和断开过程中在经历切换周期时仅平均少量地改变。由此，切换过程突然地实现，从而在始动时刻(Losbrechzeitpunkt)中，衔铁10的移动相对于完全电磁驱动立即且以全部力来实现。
在图2的下半部分中，由永磁体引起的磁场MF1的曲线以点划线标记而用于电磁驱动装置1的断开位置。在图2的上半部分中，与此相对，由永磁体8引起的磁场MF2的曲线被标记用于电磁驱动装置1的接通位置。在后面的情况下，没有出现具有用于经过外部磁轭4的磁场MF2的较小磁阻的路径，从而必然形成围绕各个永磁体8的磁性漏磁场。根据本发明，现在可以借助于前述的测量设备识别或者测量磁通量或者永磁体8的变化。
根据另一实施例，可以识别在励磁线圈6的外部或者在电磁驱动装置1的围绕励磁线圈6的内部磁轭5的外部磁通量的变化。对此在图2的示例中，测量线圈2围绕外部磁轭4的臂卷绕。从断开位置开始，磁通量MF1稳定地通过测量线圈2。如果现在衔铁10突然地向左移动到接通位置中，从而磁通量曲线以这种方式突然改变，使得根据图2的图示的漏磁场MF2还在下部范围内形成，其中磁通量同时在外部磁轭5中消失。在外部磁轭5的臂中的磁通量的动态变化以施加到测量线圈2的接头的感应电压ui表现出来，其峰值越大，磁通量改变越快。
可选择地或额外地，还可以识别或测量在多个永磁体8中的一个永磁体的漏磁场MF2中的磁通量改变。对此在图2的示例中，磁性传感器或者霍尔传感器3安装在内部磁轭4的外侧面上且在上部永磁体8的范围内。从电磁驱动装置1的断开位置开始，磁通量(如在图2的下部范围内示出)由北极N开始通过外部磁轭5进一步通过挡板12、衔铁10的圆柱形销11延伸到圆柱形开口OF的起始区域EO中的内部磁轭5中而后延伸至永磁体8的南极S。因为通过软磁件4、12、11、5的磁阻是特别低的，所以围绕永磁体8未形成显著的漏磁场。由此围绕永磁体8的侧向区域大体上是无磁场的。霍尔传感器3发出具有相应于磁通量的低测量值的测量信号。出于简明的原因，霍尔传感器3的电接头本身并未示出。如果现在衔铁10突然地向左移动到接通位置中，从而磁通量曲线以这种方式突然改变，即漏磁场MF2形成，其中磁通量同时在外部磁轭5中消失。一部分漏磁场MF2现在还通过霍尔传感器3，该霍尔传感器现在发出与此相应的高测量值。
图3示出了力/路径图表，在该图表中绘出了在接通位置EIN和断开位置AUS之间的路段S中根据图2的电磁驱动装置的各个部件9、10、19的力F。以KBP来标注接触点。从接通位置EIN出发，接触弹力从该点KBP开始。由相关的特征曲线KLF示出这一点。其原因在于，从该点开始，挡板12根据图2在其从左向右的移动中碰撞接触滑块13而后将其携带走。在图2的实施例中，接触滑块13的止挡(位置)在该点KBP中以虚线示出。接触弹力反向作用于相应于特征曲线KLR的弹簧复位力，该弹簧复位力随着衔铁10的逐渐增加的路径而在断开位置AUS的方向上逐渐减小。该特征曲线KLO示出了在电磁驱动装置在没有通过永磁体8的力支持的情况下在衔铁10上的基于距离的力曲线。如在图3中示出，复位弹簧9的仍作用到触桥18上的力相对较小。与此相反，当衔铁10在断开位置AUS的方向上移动时，由通过根据图2的外部磁轭5的现在发生的磁通量决定，特征曲线KLS与特征曲线KLR相比较示出了逐渐增加的力。
图4是用于限定根据图2的励磁线圈6的线圈电流的示例性电路图。在图4的左侧部分中示出了整流器21，该整流器将输入侧的交流电压AC转换为直流电压US。该直流电压US随后通过可控制的电子开关元件22输送至降压变换器，该降压变换器在其一侧向根据图2的电磁驱动装置的励磁线圈28供给线圈电流i。向电子开关元件22施加电压uE，该电压根据开关元件22的开关状态符合于开关电压US或者接近于0V的电压值。在开关元件22的闭合状态下，充电电感24通过整流器21充电。在开关元件22的断开状态下，空程二极管26继续输送线圈电流i。示例性的电阻23作为测量电阻用于检测实际电流i，其中可以忽略通过滤波电容器27的一部分较小的电流。以u标注通过励磁线圈28的电压。在图4的右侧部分中可以看到测量线圈29，在该测量线圈中，电压ui当在电磁驱动装置的磁通量改变时被感应。该感应电压ui与测量电压uR一起由控制电子装置25记录且继续处理，该测量电压与线圈电流i成比例。
控制电子装置25现在当发出接通指令ON时首先提供高的线圈电流i，从而衔铁10可以可靠地由断开位置AUS移动到接通位置EIN中。随着衔铁10从断开位置AUS始动(losbrechen)，引起了磁通量变化。控制电子装置25现在记录足够高的电压脉冲ui并且而后在调节回路中将线圈电流i限定为预定最小电流值。最后，该控制单元25以时钟的方式激活电子开关元件22。
图5示出了用于根据图2的装置的线圈电流i以及电源的输入电压uE的示例性时间曲线。在时间图表的下部分中绘出了输入电压uE的电压曲线KLU，在上部分中绘出了线圈电流i的电流曲线KLI。根据图4的控制单元25在时刻t0接收接通指令ON，基于此该控制单元首先完全接通开关电压US。衔铁10在时刻t1从外部磁轭5始动，由此在根据图4的测量线圈29中产生了以感应电压信号ui的形式的校准信号。接着，控制单元25如此调节线圈电流i，即该线圈电流在两个电流切换值IO和IL之间波动并且均匀地符合于平均的电流值IL。

Claims (15)

1.一种用于驱动开关设备的方法，所述开关设备具有至少一个电磁驱动装置(1)，所述电磁驱动装置具有可移动的衔铁(10)，所述衔铁用于断开或闭合所述开关设备的至少一个主触点(15)，其特征在于，包括以下步骤：
a)识别在所述电磁驱动装置(1)中，在断开所述主触点(15)时的第一位置(AUS)和在接通所述主触点(15)时的第二位置(EIN)之间的磁通量变化，以及
b)当所述磁通量变化超过预定值时，将所述电磁驱动装置(1)的线圈电流(i)在所述第二位置(EIN)中被限定为可预定的最小电流值(IL)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁通量变化借助于感应线圈(2)来识别。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述磁通量变化借助于磁性传感器(3)，特别是借助于霍尔传感器来识别。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
-通过至少一个永磁体(8)来支持所述电磁驱动装置(1)，并且
-识别至少一个所述永磁体(8)的磁路(MF1、MF2)中的磁通量变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，识别在励磁线圈(6)的外部以及在所述电磁驱动装置(1)的围绕所述励磁线圈(6)的内部磁轭(5)的外部的所述磁通量变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，识别在所述永磁体(8)中的一个永磁体的漏磁场(MF2)中的所述磁通量变化。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当在接通所述线圈电流(i)后的预定的时间段结束后，未在所述开关设备的电磁驱动装置(1)中识别出磁通量变化时，发出错误信息。
8.一种用于驱动开关设备的装置，所述开关设备具有至少一个电磁驱动装置(1)，所述电磁驱动装置具有可移动的衔铁(10)，所述衔铁用于断开或闭合所述开关设备的主触点(15)，其特征在于，设置有一种装置，用于识别在所述电磁驱动装置(1)中在断开所述主触点(15)时的第一位置(AUS)和在接通所述主触点(15)时的第二位置(EIN)之间的磁通量变化，其中当用于识别所述磁通量变化的装置识别出所述磁通量变化超过预定值时，将所述电磁驱动装置(1)的线圈电流(i)在所述第二位置(EIN)中限定为可预定的最小电流值(IL)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，用于识别所述磁通量变化的装置是感应线圈(2)和/或磁性传感器(3)，特别是霍尔传感器。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，设置至少一个永磁体(8)用于支持所述电磁驱动装置(1)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，用于识别所述磁通量变化的装置设置在励磁线圈(6)的外部或者在所述电磁驱动装置(1)的围绕所述励磁线圈(6)的内部磁轭(5)的外部。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，一旦在接通所述线圈电流(i)后的预定时间段结束后，未在所述开关设备的电磁驱动装置(1)中识别出磁通量变化时，发出错误信息。
13.一种开关设备，用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法，该方法用于切换负载，其中所述开关设备是接触器或者断路器或紧凑型支路。
14.一种用于接通负载的开关设备，所述开关设备具有根据权利要求8至12中任一项所述的装置，其中所述开关设备是接触器或者断路器或紧凑型支路。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述开关设备是具有三个主触点(15)的三极式开关设备，所述主触点用于将三个电流通路(16)与电磁驱动装置(1)接通和断开。
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