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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen
Linearantrieb, insbesondere Antrieb für einen elektrischen
Schalter, bei welchem ein magnetisch aktives Teil von einem durch
eine stromdurchflossene Spule erzeugten Magnetfeld bewegbar
ist.
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Ein derartiger elektrodynamischer Linearantrieb ist
beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 29 572 A1
bekannt. Der dortige Linearantrieb weist eine Spule auf, welche
bei einem Stromfluss durch die Spulenwindungen ein Magnetfeld
erzeugt. Das Magnetfeld verläuft in ihrem Innern in der
Axialrichtung der Spule. Ein bewegbarer Anker weist ein
magnetisch aktives Teil auf. Der Anker und das magnetisch aktive
Teil sind ausschließlich senkrecht zu der Axialrichtung
bewegbar. In Wechselwirkung mit dem von der Spule erzeugbaren
Magnetfeld ist der magnetisch aktive Teil entlang einer
Bewegungsbahn von einer Endlage in eine andere Endlage
überführbar. Der Anker wird impulsartig angetrieben. Unabhängig von
der Startposition des magnetisch aktiven Teils wird dieses
zur Spulenmitte hin beschleunigt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
elektrodynamischen Antrieb der eingangs genannten Art so
auszubilden, dass die Bewegung des magnetisch aktiven Teils
besser steuerbar ist.
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Die Aufgabe wird bei einem Linearantrieb der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zusätzlich zu
der Spule eine Hilfsspule vorgesehen ist, welche für einen
begrenzten Zeitraum während einer Anfangsphase der Bewegung
des magnetisch aktiven Teiles ein Hilfsmagnetfeld erzeugt.
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Mit dem Einsatz einer Hilfsspule für einen begrenzten
Zeitraum während einer Anfangsphase der Bewegung des magnetisch
aktiven Teiles ist der Bewegungsablauf günstig steuerbar. Die
von der Spule und der Hilfsspule erzeugten Magnetfelder
können in günstiger Weise überlagert werden, so dass zu Beginn
der Bewegung eine sehr hohe Antriebskraft zur Verfügung
steht. Durch den Einsatz der Hilfsspule kann auf eine große
Dimensionierung der Spule zur Erzeugung einer hohen
Anfangskraft verzichtet werden. Durch die Gestaltung der Kombination
von Spule und Hilfsspule sind verschiedene
Schaltcharakteristiken eines derartig ausgebildeten elektrodynamischen
Linearantriebes erzeugbar. Während zum Beginn der Ausschaltbewegung
nunmehr eine hohe Antriebskraft, beispielsweise zum
Überwinden einer auf das magnetisch aktive Teil wirkenden Haltekraft
einer Haltvorrichtung zur Verfügung steht, ist zum Ende des
Bewegungsvorganges des sich bereits im Bewegung befindlichen
magnetisch aktiven Teiles nur ein verminderter Kraftaufwand
erforderlich. Neben der Überlagerung der Magnetfelder ist es
ebenfalls möglich, die von der Hilfsspule und der Spule
erzeugten Magnetfelder zeitlich nacheinander wirken zu lassen.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Spule
und die Hilfsspule Teil einer gemeinsamen Wicklung sind.
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Bilden Spule und Hilfsspule einen Teil einer gemeinsamen
Wicklung, so ergeben sich besonders große Vorteile
hinsichtlich der Fertigung eines derartigen Linearantriebes. Die
Spule kann dabei neben ihren Endanschlüssen zusätzlich eine
oder mehrere Mittelanschlüsse aufweisen. Je nach den
technischen Gegebenheiten ist dann einer der Mittelanschlüsse auszuwählen
und so die Größe der Hilfsspule festzulegen. Sind
mehrere Mittelanschlüsse vorgesehen, so ist es möglich,
dieselbe Wicklung zur Ausbildung verschiedener Spulen und
Hilfsspulenkombinationen zu verwenden. Gegebenenfalls kann auf die
Nutzung der Hilfsspule auch verzichtet werden. Trotz
verschiedener technischer Ausgestaltungsvarianten können
gleichartige Spulen für verschiedene Linearantriebe eingesetzt
werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die
Hilfsspule von einer Hilfsspannungsquelle, insbesondere einem
Hilfskondensator, gespeist ist.
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Ist zur Versorgung der Hilfsspule eine Hilfsspannungsquelle
vorgesehen, so kann der zur Erzeugung des Hilfsmagnetfeldes
notwendige Hilfsstrom unabhängig von anderen Spannungsquellen
gespeist werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines
Hilfskondensators als Hilfsspannungsquelle. Der
Hilfskondensator ist in einfacher Weise aufladbar und steht dann zur
Versorgung der Hilfsspule zur Verfügung. Ein derartig
aufgeladener Hilfskondensator kann der Hilfsspule nahezu
unabhängig von äußeren Bedingungen, wie beispielsweise einem
Störfall in einem Energieversorgungsnetz oder einer anderen
herkömmlichen Spannungsquelle, die notwendige Energie zur
Verfügung stellen.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Hilfsspule
eine geringere Induktivität aufweist als die Spule.
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Weist die Hilfsspule eine geringere Induktivität auf, so ist
mit einfachen Mitteln sichergestellt, dass das
Hilfsmagnetfeld durch die Induktivität der Hilfsspule und die sich
ergebende kleine Zeitkonstante nur während eines begrenzten Zeitintervalls
erzeugt ist, welches kürzer ist als das
Zeitintervall des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der
Hilfskondensator und die Hilfsspule einen Teil eines Hilfs-
Schwingkreises bilden, dessen Zeitkonstante wesentlich
kleiner ist als die Zeitkonstante eines aus der Spule und einem
Hauptkondensator gebildeten Hauptschwingkreises.
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Bilden die Spule und der Hauptkondensator sowie der
Hilfskondensator und die Hilfsspule Schwingkreise aus, so kann der
Antrieb in sehr günstiger Weise angesteuert werden. Der
zwischen Hauptkondensator und Spule fließende Hauptstrom erzeugt
in der Spule ein Magnetfeld. In dem Hilfsschwingkreis fließt
ein Hilfsstrom, welcher in der Hilfsspule das Hilfsmagnetfeld
erzeugt. Der Hilfsschwingkreis weist vorteilhaft eine
kleinere Zeitkonstante auf, als der Hauptschwingkreis. Diese
beiden Magnetfelder können sich vorteilhafterweise räumlich und
zeitlich überlagern oder zeitlich nacheinander erzeugt
werden. Durch den Hilfskondensator ist das Zeitverhalten des
Hilfsschwingkreises in einfacher Weise variierbar, so dass
der zeitliche Verlauf des resultierenden Magnetfeldes leicht
einstellbar ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass
parallel zur Hilfsspule eine Freilaufdiode geschaltet ist.
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Durch die Freilaufdiode wird mit sehr einfachen Mitteln ein
Stromfluss durch die Hilfsspule in nur einer Richtung
zugelassen. Somit ist gewährleistet, dass das Hilfsmagnetfeld
stets so gerichtet ist, dass es zu dem durch die Spule
erzeugten Magnetfeld stets positiv verstärkend wirkt. Etwaige
Ströme, welche ein Hilfsmagnetfeld erzeugen, dass dem durch
die Spule erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist,
werden so gesperrt. Derartige Ströme treten während der
zweiten Halbwelle der Schwingung im Hilfsschwingkreis auf.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in Reihe zu der
Parallelschaltung, von der Spule einerseits und der
Hilfsspule mit in Reihe vorgeschaltetem Hilfskondensator
andererseits, der Hauptkondensator geschaltet ist.
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Eine derartige Schaltungsvariante ermöglicht es, den
Hauptkondensator und die Spule als Hauptschwingkreis auszubilden
und das Schwingungsverhalten des Hauptschwingkreises so zu
gestalten, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von
Schwingungen, beispielsweise ein oder zwei Schwingungsvorgänge, die
Schwingung des Hauptschwingkreises selbsttätig gedämpft ist.
Der aus Hilfsspule und Hilfskondensator gebildete Teil des
Hilfsschwingkreises verfügt über seine eigene
Hilfsspannungsquelle und entlastet den Hauptkondensator von zusätzlicher
Last. Weiterhin kann durch den Hilfskondensator die
Zeitkonstante des Hilfsschwingkreises eingestellt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigt die
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Fig. 1 eine Vakuumröhre in ihrer Aus-Stellung mit
einem zugehörigen elektrodynamischen
Linearantrieb, die
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Fig. 2 eine Vakuumröhre in ihrer Ein-Stellung mit
einem zugehörigen elektrodynamischen
Linearantrieb, die
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Fig. 3 eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung
eines elektrodynamischen Linearantriebes und die
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Fig. 4 ein Diagramm der während eines Schaltvorganges
auftretenden Ströme durch Spule und Hilfsspule
in Abhängigkeit der Zeit.
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Die Fig. 1 zeigt eine Vakuumröhre 1 eines Schalters der
Mittel- oder Hochspannungstechnik, welche ein erstes
feststehendes Kontaktstück 2 sowie ein zweites, mittels eines Antriebes
4 bewegbares Kontaktstück 3, aufweist. Der Antrieb 4 weist
eine Spule 5 auf, welche bei einem Stromfluss durch ihre
Windungen ein Magnetfeld 6 in axialer Richtung erzeugt.
Weiterhin ist zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes eine zur Spule
5 koaxiale Hilfsspule 7 vorgesehen. Zur Lenkung der
magnetischen Feldlinien ist die Spule 5 sowie die Hilfsspule 7 in
einen Jochkörper 8 eingebettet. Der Jochkörper 8 weist einen
mittleren Jochkörperzweig 8a sowie einen ersten seitlichen
Jochkörperzweig 8b und einen zweiten seitlichen
Jochkörperzweig 8c auf. Senkrecht zu dem Magnetfeld 6 ist ein Anker 9
bewegbar. Der nicht-magnetische Teil des Ankers 9 ist an das
zweite bewegbare Kontaktstück 3 angekoppelt. Dem
nichtmagnetischen Teil des Ankers 9 ist ein als magnetisch aktiver Teil
wirkender Permanentmagnet 10 zugeordnet und mit diesem
verbunden. Um das erzeugte Magnetfeld 6 in günstiger Weise längs
des Ankers 9 räumlich günstig zu führen, erstreckt sich die
Spule 5 die Hilfsspule 7 sowie der Jochkörper 8 jeweils
entlang zweier Seiten des Ankers 9, so dass sich ein Luftspalt
ausbildet, entlang dessen der nicht-magnetische Teil des
Ankers 9 mit dem Permanentmagnet 10 bewegbar ist. Der elektro-
dynamische Linearantrieb 4 ist bezüglich des Luftspaltes
spiegelsymmetrisch aufgebaut.
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Alternativ kann sich der Antrieb 4 auch entlang einer
einzigen Seite des Ankers 9 erstrecken. Darüber hinaus können auch
andere Anordnungen von der Spule 5 und der Hilfsspule 7
bezüglich des Ankers 9 vorgesehen sein.
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In den Endlagen des Permanentmagneten 10, welche der Ein-
bzw. der Ausstellung des zweiten bewegbaren Kontaktstückes 3
entsprechen, ist der Permanentmagnet 10 aufgrund der
seitlichen Jochkörperzweige 8b, 8c und der entsprechend durch den
Permanentmagneten 10 erzeugten magnetischen Kräfte
selbsttätig in seiner Lage gehalten. Zur Unterstützung der
Haltekräfte im eingeschalteten Zustand ist eine ortsfest gelagerte
Haltevorrichtung vorgesehen. Diese Haltevorrichtung besteht
im Wesentlichen aus einem Haltemagnet 11 und einem ortsfest
mit dem Anker 9 bzw. dem zweiten bewegbaren Kontaktstück 3
verbundenen Gegenjoch 12 zum Haltemagnet 11. In der
Ein-Stellung (Fig. 2) der Vakuumröhre 1 befindet sich das Gegenjoch
12 im Wirkbereich des Haltemagnetes 11. Durch die von dem
Haltemagnet 11 ausgehenden Magnetkräfte wird das Gegenjoch 12
von diesem angezogen und dadurch das zweite bewegbare
Kontaktstück 3 zusätzlich zu der von dem Permanentmagnet 10 und
dem ersten seitlichen Jochkörperzweig 8b bewirkten
Selbsthaltekraft gegen das erste feststehende Kontaktstück 2 gepresst.
Dies ist insbesondere bei der Anwendung in einem
Vakuumschalter wichtig. In der Aus-Stellung befindet sich das Gegenjoch
12 außerhalb des von dem Haltemagnet 11 ausgehenden
Magnetfeldes. Zusätzlich kann das Gegenjoch 12 so angeordnet sein,
dass es als mechanischer Anschlag zum Begrenzen der
Bewegungsbahn des Ankers 9 wirkt.
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Die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung zeichnet sich durch
einen sehr einfachen, aus wenigen Bauelementen bestehenden
Aufbau aus. In einem ersten Parallelzweig 13 ist die Spule 5
angeordnet. In einem zweiten Parallelzweig 14 ist die
Hilfsspule 7 angeordnet. Weiterhin ist im zweiten Parallelzweig 14
in Reihe zu der Hilfsspule 7 ein Hilfskondensator 15
vorgesehen. Parallel zu der Hilfsspule 7 ist eine Freilaufdiode 16geschaltet. In Reihe zu dem ersten Parallelzweig 13 und dem
zweiten Parallelzweig 14 ist ein Hauptkondensator 17
geschaltet. Der Hauptkondensator 17 und die Spule 5 bilden einen
Hauptschwingkreis aus. Die Hilfsspule 7 und der
Hilfskondensator 15 sind Teil eines Hilfsschwingkreises. Mittels eines
Schalters 18 sind der Hauptschwingkreis sowie der
Hilfsschwingkreis schließbar und auftrennbar. Die Induktivität der
Hauptspule 5 ist größer als die Induktivität der Hilfsspule
7. Aufgrund dieser elektrischen Größen ist die Zeitkonstante
des Hauptschwingkreises größer als die Zeitkonstante des
Hilfsschwingkreises, das heißt, bei geschlossenem Halter 18
pendelt zwischen dem Hauptkondensator 17 und der Hauptspule 5
ein Strom mit einer kleineren Frequenz als ein zwischen der
Hilfsspule 7 und dem Hilfskondensator 15 pendelnder Strom.
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Der Hauptkondensator 17 sowie der Hilfskondensator 15 sind
durch eine in der Fig. 3 schematisch dargestellte
Ladeeinrichtung 21 aufladbar. Wird nunmehr der Schalter 18
geschlossen, das heißt, der elektrodynamische Antrieb 4 soll in
Betrieb gesetzt werden, so treibt der Hilfskondensator 15 über
den nunmehr geschlossenen Stromkreis einen Strom durch die
Hilfsspule 7. Das dabei erzeugte Magnetfeld bewegt den
Permanentmagneten 10 und die mit ihm verbundenen Teile in Richtung
der Spulenmitte. Aufgrund der relativ kleinen Zeitkonstante
steigt dieser Strom sehr schnell, sehr stark an und klingt
auch sehr schnell wieder ab. Gleichzeitig treibt der
Hauptkondensator 17 einen Strom durch die Hauptspule 5. Aufgrund
der größeren Zeitkonstante steigt dieser Strom jedoch
langsamer und auf ein kleineres Maximum an als der durch die
Hilfsspule 7 fließende Strom. Nach dem Abklingen des Stromes durch
die Hilfsspule 7 und dem damit verbundenen Aufladen des
Hilfskondensators 15 ändert sich die Polarität des nunmehr
zurückfließenden Stromes. Dieser zurückfließende Strom wird
über die entsprechend geschaltete Freilaufdiode 16 an der
Hilfsspule 7 vorbeigeleitet und entlädt den Hilfskondensator
15. Der in dem Hauptschwingkreis fließende Strom wechselt
nach seinem Abklingen ebenfalls seine Polarität und bewirkt
damit eine Änderung der Polarität des durch die Spule 5
erzeugten Magnetfeldes. Zu diesem Zeitpunkt hat der
Permanentmagnet 10 bereits den mittleren Jochkörperzweig 8a passiert,
so dass der bisher in Richtung der Spulenmitte beschleunigte
Permanentmagnet 10 aus der Spulenmitte heraus in Richtung
eines der seitlichen Jochkörperzweige 8b, 8c abgestoßen wird.
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Die Wahl der elektrischen Eigenschaften der Spule 5 sowie des
Hauptkondensators 17 kann dabei so erfolgen, dass nach einer
gewünschten Anzahl von Schwingungen, beispielsweise einer
Schwingung von einer Periodendauer, durch die natürliche
Dämpfung des Hauptschwingkreises der im Hauptschwingkreis
fließende Strom nahezu auf die Stromstärke O gedämpft wird.
Durch die Wahl des Hilfskondensators 15 ist der Scheitelwert
bzw. die Frequenz des im Hilfsschwingkreis fließenden Stromes
einstellbar.
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In der Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf des durch die Spule
5 fließenden Stromes 19 und des durch die Hilfsspule 7
fließenden Stromes 20 während einer Schaltbewegung
dargestellt. Zwischen dem Betrag der Ströme und dem in der Spule 5
bzw. der Hilfsspule 7 erzeugten Magnetfeld besteht eine
Proportionalität, so dass aus dem Diagramm direkt der Verlauf
der auf das Kontaktstück wirkenden Beschleunigungskraft
während eines Schaltvorganges erkennbar ist.