DE10128617A1 - Schaltvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Schaltvorrichtung weist eine bewegliche Spule auf, die durch ein Versteifungselement verstärkt ist, um die Beständigkeit der beweglichen Spule gegenüber Biegemomenten zu erhöhen. Das Versteifungselement kann ein nichtmagnetisches Gehäuse aufweisen, das die bewegliche Spule umgibt. Alternativ oder zusätzlich kann es ein Harz oder anderes Material aufweisen, das die bewegliche Spule umkapselt.

Description

Die vorliegende Anmeldung basiert auf der JP-Patentanmeldung 2000-315191, angemeldet in Japan am 16. Oktober 2000, die hier summarisch eingeführt wird.

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung, die die elek­ tromagnetische Abstoßung dazu nutzt, eine Antriebskraft zu erzeugen, um eine Relativbewegung eines Kontaktpaars in oder außer Berührung miteinander zu erzeugen, um einen elektri­ schen Schaltkreis zu schließen oder zu öffnen.

Die Fig. 10a und 10b sind schematische Schnittansichten einer den Erfindern bekannten Schaltvorrichtung, die die elektromagnetische Abstoßungskraft in einem geschlossenen Kontaktzustand bzw. einem geöffneten Kontaktzustand nutzt. Die gezeigte Schaltvorrichtung umfaßt einen Schalterbereich 3, der einen elektrischen Schaltkreis öffnen und schließen kann, einen bewegbaren Schaft 5, der eine Antriebskraft auf den Schalterbereich 3 überträgt, und eine Betätigungsein­ richtung 9, die von einer nicht gezeigten elektrischen Ener­ gieversorgung angetrieben wird und auf den bewegbaren Schaft 5 eine Antriebskraft aufbringt, um den Schalterbereich 3 zu öffnen und zu schließen.

Der Schalterbereich 3 umfaßt einen Festkontakt 1, der an einer Tragplatte 16 befestigt ist, und einen beweglichen Kontakt 2, der dem Festkontakt 1 gegenüberliegend angeordnet ist. Um gute Lichtbogenlöscheigenschaften für den Schalter­ bereich 3 zu erhalten, sind die Kontakte 1 und 2 in einer evakuierten Kammer 4 untergebracht. Ein erstes Anschlußele­ ment 14 ist mit dem Festkontakt 1 elektrisch verbunden, und ein zweites Anschlußelement 15 ist mit dem beweglichen Kon­ takt 2 elektrisch verbunden. Der Schalterbereich 3 kann durch diese Anschlußelemente 14 und 15 mit einem externen elektrischen Schaltkreis elektrisch verbunden werden.

Der bewegbare Schaft 5 umfaßt einen erregten Bereich 6, der mit dem beweglichen Kontakt 2 verbunden ist, und einen nichterregten Bereich 7, der mit der Betätigungseinrichtung 9 verbunden ist. Der erregte Bereich 6 und der nichterregte Bereich 7 sind miteinander verbunden und voneinander elek­ trisch isoliert durch einen elektrisch isolierenden Stab 8, der verhindert, daß Strom von dem Schalterbereich 3 zu der Betätigungseinrichtung 9 fließt.

Die Betätigungseinrichtung 9 umfaßt eine Kontaktöffnungs- Festspule 11, die an einer ortsfesten Tragplatte 17 befe­ stigt ist, eine Kontaktschließ-Festspule 12, die an einer weiteren ortsfesten Tragplatte 18 befestigt ist, eine beweg­ liche Spule 10, die an dem beweglichen Schaft 5 befestigt und zwischen der Kontaktöffnungs-Festspule 11 und der Kon­ taktschließ-Festspule 12 angeordnet ist, und eine Zweirich­ tungs-Vorspannfeder 13, die an einer Tragplatte 19 und an dem nichterregten Bereich 7 des beweglichen Schafts 5 ange­ ordnet ist. Der bewegliche Schaft 5 geht mit Spiel durch die Tragplatte 17 und die Tragplatte 18, so daß die bewegliche Spule 10 zwischen der Kontaktöffnungs-Festspule 11 und der Kontaktschließ-Festspule 12 hin- und hergehen kann. Die Vor­ spannfeder 13 ist eine nichtlineare Feder, die eine Vor­ spannkraft aufbringt, deren Richtung sich in Abhängigkeit von der Lage des beweglichen Schafts 5 ändert. Wenn sich der bewegliche Schaft 5 in der angehobenen Position von Fig. 10a befindet, bringt die Vorspannfeder 13 auf den beweglichen Schaft 5 eine aufwärts gerichtete Vorspannkraft auf, um die Kontakte des Schalterbereichs 3 in einem geschlossenen Zu­ stand zu halten, und wenn sich der bewegliche Schaft 5 in der in Fig. 10b gezeigten abgesenkten Position befindet, bringt die Vorspannfeder 13 auf den beweglichen Schaft 5 eine abwärts gerichtete Vorspannkraft auf, um die Kontakte des Schalterbereichs 3 in einem geöffneten Zustand zu hal­ ten.

Als nächstes wird ein Kontaktöffnungsvorgang erläutert. Wenn sich die Schaltvorrichtung in dem in Fig. 10a gezeigten ge­ schlossenen Kontaktzustand befindet und ein Impulsstrom von der nicht gezeigten Stromversorgung der Kontaktöffnungs- Festspule 11 und der beweglichen Spule 10 zugeführt wird, erzeugen diese Spulen 11 und 10 Magnetfelder, die elektroma­ gnetische Abstoßungskräfte erzeugen, die die Spulen 11 und 10 voneinander abstoßen. Die bewegliche Spule 10 wird von den elektromagnetischen Abstoßungskräften in der Figur nach unten geschoben, und der bewegliche Schaft 5, der an der be­ weglichen Spule 10 befestigt ist, und der bewegliche Kontakt 2, der mit dem beweglichen Schaft 5 verbunden ist, bewegen sich ebenfalls abwärts, so daß sich der bewegliche Kontakt 2 von dem Festkontakt 1 trennt und ein Öffnen der Kontakte des Schalterbereichs 3 stattfindet. Wenn sich der bewegliche Schaft 5 an einem vorgegebenen Punkt vorbei abwärts bewegt, ändert sich die Richtung, in der die Vorspannfeder 13 auf den beweglichen Schaft 5 eine Vorspannkraft aufbringt, von der Kontaktschließrichtung (aufwärts in der Figur) zu der Kontaktöffnungsrichtung (abwärts in der Figur), so daß dann, wenn die Kontakte 1 und 2 des Schalterbereichs 3 voneinander getrennt sind, die Vorspannfeder 13 den Schalterbereich 3 in einem geöffneten Kontaktzustand gemäß Fig. 10b hält.

Als nächstes wird der Kontaktschließvorgang erläutert. Wenn die Schaltvorrichtung in dem in Fig. 10b gezeigten geöffne­ ten Kontaktzustand ist und ein Impulsstrom von der Stromver­ sorgung an die Kontaktschließ-Festspule 12 und die bewegli­ che Spule 10 geführt wird, erzeugen diese beiden Spulen 12 und 10 Magnetfelder, und die Magnetfelder erzeugen elektro­ magnetische Abstoßungskräfte, die die Spulen 12 und 10 von­ einander abstoßen. Die bewegliche Spule 10 wird von den elektromagnetischen Abstoßungskräften in der Figur nach oben geschoben, der bewegliche Schaft 5 und der bewegliche Kon­ takt 2 bewegen sich mit der beweglichen Spule 10 nach oben, und der bewegliche Kontakt 2 gelangt mit dem Festkontakt 1 in Berührung, um ein Schließen der Kontakte des Schalterbe­ reichs 3 auszuführen. Wenn sich der bewegliche Schaft 5 an einem vorgegebenen Punkt vorbei aufwärts bewegt, ändert sich die Richtung, in der die Vorspannfeder 13 auf den bewegli­ chen Schaft 5 eine Vorspannkraft aufbringt, von der Kontakt­ öffnungsrichtung (abwärts in der Figur) zurück zu der Kon­ taktschließrichtung (aufwärts in der Figur), und wenn die Kontakte 1 und 2 des Schalterbereichs 3 in Berührung mitein­ ander sind, hält die Vorspannfeder 13 somit den Schalterbe­ reich 3 in dem in Fig. 10a gezeigten geschlossenen Kontakt­ zustand.

Bei der Schaltvorrichtung der Fig. 10a und 10b werden der Kontaktöffnungs- und der Kontaktschließvorgang durch die elektromagnetische Abstoßung zwischen gegenüberliegenden Spulen ausgeführt, und somit ist die Betriebsgeschwindigkeit hoch. Infolge der bei diesem Hochgeschwindigkeitsbetrieb auftretenden Kollision durch die Magnetkraft zwischen gegen­ überliegenden Spulen werden auf diese Spulen große Stoß­ kräfte aufgebracht, und die Spulen können durch diese Stöße beschädigt werden.

Da die bewegliche Spule 10 flach ist, unterliegt sie nahe ihrer Längsachse einem großen Biegemoment. Wenn die Dicke der beweglichen Spule vergrößert wird, um ihre Steifigkeit und ihre Stoßfestigkeit zu erhöhen, wird der Mittenabstand zwischen gegenüberliegenden Spulen (die Distanz zwischen zwei gegenüberliegenden Spulen, gemessen von der halben Dicke der einen Spule bis zur halben Dicke der gegenüberlie­ genden Spule) größer, und elektromagnetische Abstoßungs­ kräfte können nicht effizient erzeugt werden. Außerdem wird durch eine Dickenzunahme der beweglichen Spule die Gesamt­ größe der Schaltvorrichtung in der Axialrichtung größer, wo­ durch die Schaltvorrichtung unhandlicher wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schalt­ vorrichtung, die eine Beschädigung von gegenüberliegenden Spulen der Schaltvorrichtung infolge von Stößen während des Kontaktöffnungs- oder Kontaktschließvorgangs verhindert.

Ein Vorteil der Erfindung ist dabei die Bereitstellung einer Schaltvorrichtung, die Spulen hat, die elektromagnetische Abstoßungskräfte effizient erzeugen können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schaltvorrichtung, die hochzuverlässig ist und gutes Hochgeschwindigkeits-Ansprechverhalten zeigt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist eine Schalt­ vorrichtung folgendes auf: einen Schalterbereich mit einem Festkontakt und einem beweglichen Kontakt, einen beweglichen Schaft, der mit dem beweglichen Kontakt antriebsmäßig ver­ bunden ist, und eine Betätigungsvorrichtung, die mit dem be­ weglichen Schaft antriebsmäßig verbunden ist und den beweg­ lichen Schaft bewegt, um den Schalterbereich zu öffnen und zu schließen. Die Betätigungseinrichtung weist auf: eine be­ wegliche Flachspule, die mit dem beweglichen Schaft wirksam verbunden ist, eine der beweglichen Spule gegenüberliegende Festspule, und eine Spulenversteifung, die die Steifigkeit der beweglichen Spule gegenüber Kräften in der Axialrichtung des beweglichen Schafts erhöht.

Bei bevorzugten Ausführungsformen hat die bewegliche Spule einen Außendurchmesser, der ungefähr das 9- bis 11fache ih­ rer Dicke ist.

Die Spulenversteifung kann viele verschiedene Konfiguratio­ nen haben. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Spulenversteifung ein Harz auf, das um die bewegliche Spule herum geformt ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Er­ findung weist die Spulenversteifung einen Lack auf, der auf die bewegliche Spule aufgebracht ist.

Die Spulenversteifung kann ein Gehäuse aufweisen, das die bewegliche Spule aufnimmt. Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Gehäuse ein nichtmagnetisches Metall auf.

Das Gehäuse kann radial verlaufende Schlitze oder Rillen in einer seiner Oberflächen haben, die einer Festspule gegen­ überliegt, um die Erzeugung von Wirbelströmen in dem Gehäuse zu vermindern.

Ein elektrisches Isoliermaterial kann zwischen dem Gehäuse und der beweglichen Spule vorgesehen sein, um die Isolier­ eigenschaften zu verbessern.

Ein ferromagnetischer Kern kann in dem Gehäuse an einer von der beweglichen Spule umgebenen Stelle angeordnet sein, um das von der beweglichen Spule erzeugte Magnetfeld zu ver­ stärken.

Das Gehäuse kann an einem radial inneren Bereich davon eine Nabe aufweisen, um die Biegesteifigkeit des Gehäuses zu er­ höhen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Ge­ häuse eine Vielzahl von Vorsprüngen, die radial von der Nabe ausgehen, wobei sich jeder Vorsprung in einen ferromagneti­ schen Kern erstreckt. Zwischen der Nabe, den Vorsprüngen und dem Kern kann ein elektrisch isolierendes Material angeord­ net sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke des Ge­ häuses in seiner Axialrichtung an einem radial inneren Be­ reich davon größer als an einem radial äußeren Bereich da­ von.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat das Ge­ häuse eine Dicke an einer Seite davon, die einer Festspule gegenüberliegt, die geringer als eine Dicke an der gegen­ überliegenden Gehäuseseite ist.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 teilweise im Querschnitt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Schaltvorrich­ tung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der bewegli­ chen Spule der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 3a und 3b teilweise im Querschnitt schematische Ansichten der Ausführungsform von Fig. 1 in einem geschlos­ senen Kontaktzustand bzw. einem geöffneten Kon­ taktzustand;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Gehäuse für eine bewegli­ che Spule einer zweiten Ausführungsform der Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine axonometrische Explosionsansicht eines Gehäu­ ses und eines ferromagnetischen Kerns für eine be­ wegliche Spule einer dritten Ausführungsform der Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine axonometrische Ansicht des in Fig. 5 gezeig­ ten Gehäuses und des ferromagnetischen Kerns in zusammengebautem Zustand;

Fig. 7 eine axonometrische Ansicht eines weiteren Bei­ spiels eines ferromagnetischen Kerns, der mit einer beweglichen Spule einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht einer beweglichen Spule und eines Gehäuses einer vierten Ausführungsform der Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht einer beweglichen Spule und eines Gehäuses einer fünften Ausführungsform einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung; und

Fig. 10a und 10b schematische Schnittansichten einer den Erfindern bekannten Schaltvorrichtung in einem geschlossenen Kontaktzustand bzw. einem geöffneten Kontaktzu­ stand.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform einer Schaltvorrichtung. Fig. 1 ist teilweise im Querschnitt eine schematische Ansicht dieser Ausführungsform, Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der beweglichen Spule der Ausführungsform von Fig. 1, und die Fig. 3a und 3b sind teilweise im Querschnitt schematische Ansichten der Ausfüh­ rungsform von Fig. 1 in einem geschlossenen bzw. einem ge­ öffneten Kontaktzustand. Ebenso wie die Schaltvorrichtung der Fig. 10a und 10b umfaßt diese Ausführungsform einen Schalterbereich 3, der einen elektrischen Schaltkreis öffnen und schließen kann, einen beweglichen Schaft 5, der eine An­ triebskraft auf den Schalterbereich 3 überträgt, und eine Betätigungseinrichtung 9, die von einer nicht gezeigten elektrischen Stromversorgung angetrieben wird und auf den beweglichen Schaft 5 zum Öffnen und Schließen des Schalter­ bereichs 3 eine Antriebskraft aufbringt.

Der Schalterbereich 3 hat einen Festkontakt 1, der an einer Tragplatte 16 befestigt ist, die Teil eines äußeren Rahmens der Schaltvorrichtung ist, und einen beweglichen Kontakt 2, der dem Festkontakt 1 gegenüberliegend angeordnet ist. Ein erstes Anschlußelement 14 ist mit dem Festkontakt 1 elek­ trisch verbunden, und ein zweites Anschlußelement 15 ist mit dem beweglichen Kontakt 2 elektrisch verbunden. Das erste und das zweite Anschlußelement 14 und 15 ermöglichen die elektrische Verbindung des Schalterbereichs 3 mit einem ex­ ternen elektrischen Schaltkreis. Die bewegliche Elektrode 2 kann sich in der Vertikalrichtung in Fig. 1 bewegen, um mit der Festelektrode 1 in Berührung zu gelangen und sich davon zu trennen und ein Schließen oder Öffnen der Kontakte des Schalterbereichs 3 durchzuführen.

Der bewegliche Schaft 5 hat einen erregten Bereich 6, der mit dem beweglichen Kontakt 2 verbunden ist, und einen nichterregten Bereich 7, der mit der Betätigungseinrichtung 9 verbunden ist. Der erregte Bereich 6 und der nichterregte Bereich 7 sind über einen elektrisch isolierenden Stab 8 miteinander verbunden und elektrisch voneinander isoliert, und der Stab verhindert, daß Strom von dem Schalterbereich 3 zu der Betätigungseinrichtung 9 fließt.

Die Betätigungseinrichtung 9 umfaßt eine Kontaktöffnungs- Festspule 11, die an einer ortsfesten Tragplatte 17 befe­ stigt ist, durch die sich der bewegliche Schaft 5 mit Spiel bewegt, eine Kontaktschließ-Festspule 12, die an einer orts­ festen Tragplatte 18 befestigt ist, durch die sich der be­ wegliche Schaft 5 ebenfalls mit Spiel bewegt, eine bewegli­ che Spule 10, die zwischen der Kontaktöffnungs-Festspule 11 und der Kontaktschließ-Festspule 12 angeordnet und an dem beweglichen Schaft 5 befestigt ist, und eine Vorspannfeder 13, die an einer Tragplatte 19 und an dem beweglichen Schaft 5 befestigt ist. Die bewegliche Spule 10 hat flache Gestalt, so daß sie durch Biegemomente infolge der Trägheitskräfte, die durch die Bewegung der beweglichen Spule 10 entstehen, und durch Stoßkräfte, die durch das Zusammentreffen zwischen der beweglichen Spule 10 und den Festspulen 11 und 12 ent­ stehen, stark beeinflußt wird. Die flache Gestalt ist jedoch insofern vorteilhaft, als dadurch der Durchmesser der beweg­ lichen Spule 10 ausreichend groß sein kann, so daß die be­ wegliche Spule 10 einen adäquaten Magnetfluß erzeugt, und außerdem ermöglicht sie einen kleinen Mittenabstand zwischen der beweglichen Spule 10 und den Festspulen 11 und 12, so daß eine große elektromagnetische Abstoßungskraft auf wir­ kungsvolle Weise erzeugt werden kann. Ein besonders bevor­ zugter Bereich für den Außendurchmesser der beweglichen Spule 10 ist ungefähr das 9- bis 11fache ihrer Dicke, da in diesem Bereich eine elektromagnetische Abstoßungskraft be­ sonders wirkungsvoll erzeugt werden kann. Wenn eine bewegli­ che Spule 10 mit flacher Gestalt dieses Typs verwendet wird, kann die Ansprechgeschwindigkeit im Betrieb von einem her­ kömmlichen Wert in der Größenordnung von 2 bis 3 ms bis auf 1 ms herabgesetzt werden. Um einen großen Durchmesser der beweglichen Spule 10 zu ermöglichen, ohne daß sie nachteili­ gen Beanspruchungs- oder Formänderungswerten ausgesetzt wird, weist die Betätigungseinrichtung 9 eine Versteifung zum Versteifen der beweglichen Spule 10 gegenüber einer Kraft auf, die in der Axialrichtung der Schaltvorrichtung wirksam ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfaßt Versteifung, wie Fig. 2 zeigt, ein Harz 30, das um die be­ wegliche Spule 10 herum geformt ist, um die bewegliche Spule 10 härter zu machen, und ein Gehäuse 31 aus nichtmagneti­ schem Metall (etwa rostfreiem Stahl vom Typ AISI 304), das die bewegliche Spule 10 und den beweglichen Schaft 5 umgibt. Die Betätigungseinrichtung 9 umfaßt ferner eine nichtlineare Vorspannfeder 13, die in Abhängigkeit von der Lage des be­ weglichen Schafts die Richtung ändert, in der sie eine Vor­ spannkraft aufbringt. Wenn die Schaltvorrichtung in einem geschlossenen Kontaktzustand ist, bringt die Vorspannfeder 13 eine Vorspannkraft auf den beweglichen Schaft 5 in der Kontaktschließrichtung (aufwärts in Fig. 1) auf, und wenn die Schaltvorrichtung in einem offenen Kontaktzustand ist, bringt die Vorspannfeder 13 eine Vorspannkraft in der Kon­ taktöffnungsrichtung (abwärts in der Figur) auf.

Als nächstes wird der Kontaktöffnungsvorgang erläutert. Wenn die Schaltvorrichtung in dem in Fig. 3a gezeigten geschlos­ senen Kontaktzustand ist und der Kontaktöffnungs-Festspule 11 und der beweglichen Spule 10 ein Impulsstrom von einer nicht gezeigten Stromversorgung zugeführt wird, erzeugt jede Spule 11 und 10 ein Magnetfeld. Die Spulen 10 und 11 werden durch die von den Magnetfeldern erzeugten elektromagneti­ schen Abstoßungskräfte voneinander weg gedrängt, und die be­ wegliche Spule 10 wird durch die elektromagnetischen Absto­ ßungskräfte rasch abwärts in der Figur gedrängt ebenso wie der bewegliche Schaft 5, der an der beweglichen Spule 10 be­ festigt ist. Die Abwärtsbewegung des beweglichen Schafts 5 trennt den beweglichen Kontakt 2 von dem Festkontakt 1, so daß der Schalterbereich 3 geöffnet wird. Wenn sich der be­ wegliche Schaft 5 an einem vorgegebenen Punkt vorbei abwärts bewegt, wird die Vorspannfeder 13 umgekehrt, und die Rich­ tung, in der sie eine Vorspannkraft auf den beweglichen Schaft 5 aufbringt, ändert sich zu abwärts in der Figur, um den geöffneten Kontaktzustand von Fig. 3b aufrechtzuerhal­ ten.

Als nächstes wird der Kontaktschließvorgang erläutert. Wenn die Schaltvorrichtung in dem offenen Kontaktzustand von Fig. 3b ist und ein Impulsstrom zu der Kontaktschließ-Festspule 12 und der beweglichen Spule 10 geführt wird, erzeugen die Spulen 12 und 10 Magnetfelder. Die Spulen 10 und 12 werden durch aus den Magnetfeldern resultierende elektromagnetische Abstoßungskräfte voneinander weg gedrängt, und die bewegli­ che Spule 10 wird rasch aufwärts in der Figur gedrängt ebenso wie der bewegliche Schaft 5, der an der beweglichen Spule 10 befestigt ist. Wenn sich der bewegliche Schaft an einem vorgegebenen Punkt vorbei aufwärtsbewegt, wird die Vorspannfeder 13 umgekehrt, und die Richtung, in der sie eine Vorspannkraft auf den beweglichen Schaft 5 aufbringt, ändert sich zu aufwärts in der Figur. Die Aufwärtsbewegung des beweglichen Schafts 5 bringt den beweglichen Kontakt 2 in Berührung mit dem Festkontakt 1, so daß der Schalterbe­ reich 3 geschlossen wird. Der geschlossene Kontaktzustand von Fig. 3 wird durch die von der Vorspannfeder 13 aufge­ brachte aufwärts gerichtete Vorspannkraft aufrechterhalten.

Die bewegliche Spule 10 ist durch das Formharz 30, das die bewegliche Spule 10 härter macht, sowie durch das Gehäuse 31 verstärkt, in dem die bewegliche Spule 10 und das Harz 30 untergebracht sind, und somit ist sie imstande, den Biegemo­ menten standzuhalten, die auf sie durch die Trägheitskräfte in der Axialrichtung und durch Stoßkräfte aufgebracht wer­ den, während sie gleichzeitig die Vorteile einer flachen Ge­ stalt besitzt, d. h. einen kleinen Mittenabstand von den Festspulen 11 und 12 und die Fähigkeit, elektromagnetische Abstoßungskräfte mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. Sie weist somit nicht die strukturellen Schwächen auf, die für eine Flachspule typisch sind.

Rostfreier Stahl ist als Material für das Gehäuse 31 vor­ teilhaft, weil er hohe Festigkeit und geringe magnetische Permeabilität hat und somit die Konvergenz der magnetischen Kraftlinien nicht beeinträchtigt.

Es können andere Materialien als ein Formharz 30 verwendet werden, um die bewegliche Spule 10 zu verstärken, etwa ein Lack oder Nylon oder ein glashaltiges Material, das auf die bewegliche Spule 10 aufgebracht wird. Es ist auch möglich, daß die bewegliche Spule 10 in dem Gehäuse 31 ohne die Ver­ wendung eines Formharzes 30 oder eines gleichartigen Ver­ stärkungsmaterials untergebracht ist.

Wenn ein Formharz 30, ein Lack oder ein ähnliches Verstär­ kungsmaterial der beweglichen Spule 10 ausreichende Steifig­ keit verleihen kann, kann das Gehäuse 31 entfallen.

Ein Gehäuse 31 zur Aufnahme der beweglichen Spule 1 ist nicht auf eines aus rostfreiem Stahl AISI Typ 304 be­ schränkt. Es kann beispielsweise aus einem anderen nichtma­ gnetischen rostfreien Stahl oder einem von rostfreiem Stahl verschiedenen nichtmagnetischen Metall oder einem von Metall verschiedenen nichtmagnetischen Material wie etwa einem Epoxidharz oder einem anderen Polymermaterial bestehen.

Es kann vorteilhaft sein, zwischen dem Gehäuse 31 und der beweglichen Spule 10 ein elektrisch isolierendes Material anzuordnen, um einen Isolationsdurchbruch der beweglichen Spule 10 zu verhindern und ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Es kann auch vorteilhaft sein, einen ferromagnetischen Kern an der radial inneren Seite der beweglichen Spule 10 dort, wo er von der beweglichen Spule 10 umgeben ist, anzuordnen, um die Magnetflußdichte zu erhöhen.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein Gehäuse 31 zur Aufnahme einer beweglichen Spule 10 einer zweiten Ausführungsform der Schaltvorrichtung der Erfindung. Dieses Gehäuse 31 gleicht dem in Fig. 2 gezeigten Gehäuse 31 und ist ebenso wie dort aus einem nichtmagnetischen Metall hergestellt, weist aber außerdem eine Vielzahl von radial verlaufenden Schlitzen 32 auf, die in seiner oberen und unteren Oberfläche ausgebildet sind. Eine von einem Formharz 30 umgebene bewegliche Spule 10 ist in dem Gehäuse 31 auf die gleiche Weise wie in Fig. 2 aufgenommen. Ein ferromagnetischer Kern 33 ist an dem radial inneren Bereich der beweglichen Spule 10 befestigt. Im übri­ gen gleicht der Aufbau dieser Ausführungsform dem der Aus­ führungsform von Fig. 1.

Die radial verlaufenden Schlitze 32 in der oberen und unte­ ren Oberfläche des Gehäuses 31 mindern die Erzeugung von Wirbelströmen in diesen Oberflächen, wodurch Wirbelstromver­ luste verringert werden können.

Der Kern 33, der an der radial inneren Seite der beweglichen Spule 10 angeordnet ist, konzentriert den Magnetfluß, so daß die elektromagnetische Kraft wirkungsvoll erzeugt werden kann.

Die Schlitze 32 in der oberen und unteren Oberfläche des Ge­ häuses 31 können durch radial verlaufende Rillen bzw. Nuten ersetzt werden, die nur durch einen Teil der Dicke jeder Oberfläche gebildet sind. Ebenso wie die Schlitze 32 können die Rillen Wirbelstromverluste in dem Gehäuse verringern, und da sie sich nur durch einen Teil der Dicke einer Ober­ fläche, in der sie gebildet sind, erstrecken, mindern sie die Steifigkeit des Gehäuses nicht so stark wie die Schlitze 32 mit denselben Dimensionen.

Fig. 5 ist eine axonometrische Explosionsansicht eines Ge­ häuses 31 und eines ferromagnetischen Kerns 33 zum Gebrauch mit einer beweglichen Spule einer dritten Ausführungsform der Schaltvorrichtung der Erfindung, und Fig. 6 ist eine axonometrische Ansicht des Gehäuses 31 und des Kerns 33 von Fig. 5 in einem zusammengebauten Zustand. Das gezeigte Ge­ häuse 31 hat eine in Axialrichtung verlaufende zylindrische Nabe 34 an seinem radial inneren Bereich, und eine Vielzahl von Vorsprüngen 35 ist an der Nabe 34 befestigt und verläuft davon radial nach außen. Ein ferromagnetischer Kern 33 ist um die Nabe 34 herum angeordnet und in seiner Lage befe­ stigt, wobei sich die Vorsprünge 35 radial in den Kern 33 erstrecken. Der Kern 33 kann viele verschiedene Konfigura­ tionen haben. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Kern 33 eine Vielzahl von getrennten bogenförmigen Teilen auf, von denen jedes einen Sektor eines Kreisrings aufweist. Jeder Teil paßt zwischen zwei benachbarte Vorsprünge 35. Wenn das Gehäuse 31 zusammengebaut ist, ist der radial äußere Umfang des Kerns 33 von einer nicht gezeigten beweg­ lichen Spule 10 umgeben, die den gleichen Aufbau wie in den vorhergehenden Ausführungsformen haben kann. Die Struktur dieser Ausführungsform ist im übrigen gleich wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 und führt den Schaltvorgang auf die gleiche Weise wie diese Ausführungsform durch.

Die Nabe 34 erhöht die Steifigkeit des Gehäuses 31 und da­ durch die Festigkeit der beweglichen Spule 10 gegenüber Be­ anspruchungen und Biegemomenten an ihrem radial inneren Be­ reich.

Der vielteilige ferromagnetische Kern 33 von Fig. 5 ist in­ sofern vorteilhaft, als er Wirbelstromverluste verringern kann. Es können aber auch andere Konfigurationen für einen ferromagnetischen Kern verwendet werden. Fig. 7 ist eine axonometrische Ansicht eines weiteren Beispiels eines ferro­ magnetischen Kerns 33, der bei der Erfindung verwendet wer­ den kann. Dieser Kern 33 ist ein einstückiger Ring mit einer Vielzahl von radial verlaufenden Schlitzen, die sich durch einen Teil des Querschnitts des Kerns 33 erstrecken. Die Schlitze verringern Wirbelstromverluste in dem Kern 33, wäh­ rend sie gleichzeitig zulassen, daß der Kern 33 als Einzel­ teil gehandhabt wird, wodurch die Anzahl von Komponenten ge­ genüber dem Kern 33 von Fig. 5 verringert wird.

Die Erzeugung von Wirbelströmen kann mit größerer Sicherheit dadurch verringert werden, daß ein elektrisch isolierendes Papier oder anderes elektrisch isolierendes Material zwi­ schen der Nabe 34, den Vorsprüngen 35 und dem ferromagneti­ schen Kern 33 angebracht wird.

Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht eines Gehäuses 31 für eine bewegliche Spule 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der Schaltvorrichtung der Erfindung. Wie Fig. 8 zeigt, hat dieses Gehäuse 31 größere Dicke, gemessen in seiner Axial­ richtung, an seinem radial inneren Bereich als an seinem ra­ dial äußeren Bereich. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist im übrigen gleich wie bei der ersten Ausführungsform.

Mit dieser Konstruktion wird die Festigkeit des radial inne­ ren Bereichs des Gehäuses 31, der den größten Biegemomenten durch Trägheitskräfte und Stoßkräfte während des Öffnungs- und Schließvorgangs ausgesetzt ist, erhöht, und dadurch wird die Steifigkeit der beweglichen Spule 10 größer, und auch die Zuverlässigkeit der Schaltvorrichtung wird verbessert.

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Gehäuses 31 für eine bewegliche Spule 10 einer fünften Ausführungsform der Schaltvorrichtung der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Dicke A des Gehäuses 31 an der oberen Oberfläche kleiner als die Dicke B an der gegenüberliegenden Oberfläche des Gehäuses 31. Im übrigen ist der Aufbau dieser Ausfüh­ rungsform gleich wie derjenige der ersten Ausführungsform.

Mit dieser Konstruktion wird die Entfernung zwischen der be­ weglichen Spule 10 und einer ihrer Oberseite gegenüberlie­ genden Festspule verringert, so daß elektromagnetische Ab­ stoßungskräfte wirkungsvoller erzeugt werden können.

Die Dicke B ist größer als die Dicke A, so daß die Steifig­ keit der beweglichen Spule 10 selber erhöht werden kann.

Um mit Sicherheit einen Isolationsdurchbruch zu verhindern, kann bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen elektrischer Isolierstoff zwischen dem Gehäuse 31 und der darin untergebrachten beweglichen Spule 10 angeordnet sein.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ergeben sich durch die Erfindung die nachstehenden Vorteile:

• 1. Eine Schaltvorrichtung hat eine bewegliche Spule, die mit einer Spulenversteifung ausgestattet ist, um die Stei­ figkeit der beweglichen Spule zu erhöhen. Daher kann die be­ wegliche Spule den Kräften, die im Hochgeschwindigkeits­ betrieb auftreten, ohne Beschädigung standhalten, und es kann eine hochzuverlässige Schaltvorrichtung mit gutem An­ sprechverhalten bereitgestellt werden.
• 2. Durch Ausbilden der beweglichen Spule mit einem Außen­ durchmesser, der ungefähr das 9- bis 11fache ihrer Dicke ist, kann eine Schaltvorrichtung erhalten werden, die eine elektromagnetische Abstoßungskraft wirkungsvoll erzeugen kann und hohe Ansprechgeschwindigkeit hat.
• 3. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Spu­ lenversteifung ein Harz, das um die bewegliche Spule herum geformt ist, oder einen auf die bewegliche Spule aufgebrach­ ten Lack auf. Daher kann eine bewegliche Spule mit geringem Gewicht, jedoch hoher Steifigkeit hergestellt werden, und es kann eine Schaltvorrichtung mit gutem Ansprechverhalten und hoher Zuverlässigkeit geschaffen werden.
• 4. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Spulenversteifung ein Gehäuse, in dem die bewegliche Spule aufgenommen ist. Daher kann eine bewegliche Spule mit geringem Gewicht, jedoch hoher Steifigkeit gefertigt werden, und es kann eine Schaltvorrichtung mit gutem Ansprechverhal­ ten und hoher Zuverlässigkeit geschaffen werden.
• 5. Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Gehäuse ein nichtmagnetisches Material auf. Daher kann eine bewegliche Spule mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit gefertigt werden, eine Streuung des Magnetflusses durch das Gehäuse kann verhindert werden, und es kann eine Schaltvorrichtung erhalten werden, die die Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht.
• 6. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse radial verlaufende Schlitze oder Rillen, die in einer Ober­ fläche des Gehäuses, die einer Festspule gegenüberliegt, ge­ bildet sind. Daher können Wirbelstromverluste durch das Ge­ häuse unterdrückt werden, und es kann eine Schaltvorrichtung geschaffen werden, die eine elektromagnetische Kraft mit gu­ tem Wirkungsgrad erzeugen kann und gutes Ansprechverhalten zeigt.
• 7. ein elektrisches Isoliermaterial kann zwischen dem Ge­ häuse und der beweglichen Spule angeordnet sein. Daher kann ein Durchbruch der Isolation zwischen der beweglichen Spule und dem Gehäuse infolge von durch den Hochgeschwindigkeits­ betrieb bedingten Stößen verhindert werden, und es kann eine Schaltvorrichtung hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit ge­ schaffen werden.
• 8. Ein ferromagnetischer Kern kann an der radial inneren Seite der beweglichen Spule vorgesehen sein. Somit kann die Magnetflußdichte wirkungsvoll erhöht werden, und es kann eine Schaltvorrichtung erhalten werden, die eine große elek­ tromagnetische Abstoßungskraft erzeugen kann, hohe Ansprech­ geschwindigkeit hat und den Kontaktöffnungs- oder Kontakt­ schließbetrieb sicher durchführen kann.
• 9. Das Gehäuse kann eine Nabe an der radial inneren Seite des Gehäuses haben. Die Nabe erhöht die Steifigkeit des Ge­ häuses, und es kann eine Schaltvorrichtung erhalten werden, die Stoßkräften standhalten kann und hochzuverlässig ist.
• 10. Die Nabe kann mit einer Vielzahl von radial verlaufen­ den Vorsprüngen, die sich in den Kern erstrecken, ausgestat­ tet sein. Dadurch wird die Steifigkeit der beweglichen Spule erhöht, in dem Kern erzeugte Wirbelströme können durch die Vorsprünge unterbrochen werden, und Wirbelstromverluste kön­ nen kleingehalten werden. Gleichzeitig kann eine Schaltvor­ richtung erhalten werden, die die Flußdichte effizient erhö­ hen kann.
• 11. Ein elektrisches Isoliermaterial kann zwischen der Nabe und dem Kern angeordnet sein. Somit können in dem ferroma­ gnetischen Kern erzeugte Wirbelströme sicher unterbrochen werden, und es kann eine Schaltvorrichtung erhalten werden, die Wirbelstromverluste verringert.
• 12. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse eine Dicke in der Axialrichtung, die an seiner radial inne­ ren Seite größer als an seiner radial äußeren Seite ist. So­ mit kann die radial innere Seite des Gehäuses, auf die die größten Beanspruchungen und Momente aufgebracht werden, ver­ stärkt werden, und es wird eine Schaltvorrichtung erhalten, die eine bewegliche Spule hat, die Beanspruchungen und Mo­ menten wirkungsvoll standhalten kann.
• 13. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse eine Dicke, die an einer Seite, die einer Festspule zugewandt ist, kleiner als an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ist. Somit kann die Distanz von der beweglichen Spule zu einer Festspule verringert und gleichzeitig die Steifigkeit der beweglichen Spule beibehalten werden, und es wird eine Schaltvorrichtung erhalten, die eine elektromagne­ tische Kraft effizient erzeugen kann und gutes Ansprechver­ halten zeigt.

Claims (15)

1. Schaltvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Schalterbereich (3), der einen Festkontakt (1) und einen beweglichen Kontakt (2) aufweist, der in be­ zug auf den Festkontakt zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position bewegbar ist, um den Schalterbereich zu öffnen und zu schließen;
einen beweglichen Schaft (5), der mit dem beweglichen Kontakt (2) in Antriebsverbindung ist; und
eine Betätigungseinrichtung (9), die mit dem bewegli­ chen Schaft (5) in Antriebsverbindung ist und den be­ weglichen Schaft zum Öffnen und Schließen des Schalter­ bereichs (3) bewegt und aufweist: eine flache bewegli­ che Spule (10), die mit dem beweglichen Schaft (5) wirksam verbunden ist, eine der beweglichen Spule (10) gegenüberliegende Festspule (11; 12) und eine Spulen­ versteifung, die die Steifigkeit der beweglichen Spule gegenüber Kräften in der Axialrichtung des beweglichen Schafts (5) erhöht.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die bewegliche Spule (10) einen Außendurchmes­ ser hat, der ungefähr das 9- bis 11fache ihrer Dicke ist.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenversteifung ein Harz (30) aufweist, das um die bewegliche Spule (10) herumgeformt ist.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenversteifung auf die bewegliche Spule (10) aufgebrachten Lack aufweist.

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenversteifung ein Gehäuse (31) auf­ weist, das die bewegliche Spule (10) enthält.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (31) ein nichtmagnetisches Metall aufweist.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse radial verlaufende Schlitze (32) in einer Oberfläche davon, die der Festspule gegenüber­ liegt, aufweist.

8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (31) radial verlaufende Rillen in einer Oberfläche davon, die der Festspule gegenüber­ liegt, aufweist.

9. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein elektrisches Isoliermaterial, das zwischen dem Ge­ häuse (31) und der beweglichen Spule (10) angeordnet ist.

10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ferromagnetischen Kern (33), der von der bewegli­ chen Spule (10) umgeben ist.

11. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse eine Nabe (34) aufweist, die an einem radial inneren Bereich der beweglichen Spule (10) angeordnet ist.

12. Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Nabe (34), die an einem radial inneren Bereich der beweglichen Spule an­ geordnet ist, und eine Vielzahl von Vorsprüngen (35) aufweist, die sich radial von der Nabe erstrecken, wo­ bei sich jeder Vorsprung in den Kern (33) erstreckt.

13. Schaltvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein elektrisches Isoliermaterial, das zwischen der Nabe (34) und dem Kern (33) angeordnet ist.

14. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Dicke des Gehäuses in seiner Axialrich­ tung an einem radial inneren Bereich davon größer als an einem radial äußeren Bereich davon ist.

15. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse an einer Seite davon, die der Festspule gegenüberliegt, eine Dicke hat, die kleiner als eine Dicke an der gegenüberliegenden Seite des Ge­ häuses ist.