DE102006043632A1

DE102006043632A1 - Vakuumschalter

Info

Publication number: DE102006043632A1
Application number: DE102006043632A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dipl.-Ing. Matěna
Original assignee: Schaltbau GmbH
Current assignee: Schaltbau GmbH
Priority date: 2006-09-18
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2008-03-27
Also published as: EP1901324A3; CN101150024A; ATE514175T1; RU2007134906A; CN101150024B; EP1901324A2; RU2421841C2; EP1901324B1; ES2365227T3; HK1110435A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter für den Bahnbetrieb mit mindestens zwei Schaltkontakten und einem Antriebssystem mit einer mindestens einen Schaltkontakt bewegenden Schaltstange. Die Zuverlässigkeit des Vakuumschalters soll verbessert werden, um auch bei tiefen Temperaturen oder bei schwacher Batteriespannung ein sicheres Einschalten zu ermöglichen und ein sicheres Verriegeln in einer Schaltstellung zu gewährleisten. Hierzu ist vorgesehen, dass das Antriebssystem weiter eine die Schaltstange von einer Offenstellung in eine Schaltstellung überführende Hauptfeder, einen Antrieb zum Vorspannen der Hauptfeder, einen Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln der Hauptfeder im vorgespannten Zustand und einen schwenkbar gelagerten Rastriegel umfasst, wobei der Rastriegel zumindest in einer Schwenkverriegelungsstellung längsverschiebbar derart angeordnet ist, dass die Schaltstange mittels des Rastriegels beim Überführen von der Offenstellung in die Schaltstellung freigebbar und in der Schaltstellung verriegelbar ist, und die Schaltstange in einer Schwenkentriegelungsstellung des Rastriegels mittels Verschwenkens des Rastriegels zum Überführen von der Schaltstellung in die Offenstellung freigebbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schalten des Vakuumschalters.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalter für den Bahnbetrieb mit mindestens zwei Schaltkontakten und einem Antriebssystem mit einer mindestens einen Schaltkontakt bewegenden Schaltstange.
Solche Vakuumschalter werden als Hauptschalter für Schienenfahrzeuge, beispielsweise für den Wechselstrombetrieb, eingesetzt. Die Vakuumschalter sind daher für eine hohe Schaltzahl, etwa 250.000 Schaltspiele, ausgelegt. In den meisten Fällen sind die Vakuumschalter auf dem Dach des Fahrzeugs angebracht und verbinden den Stromabnehmer mit dem Haupttransformator. Dabei werden Ströme bis 1000 A und Spannungen im Bereich von 15 kV bis 25 kV geschaltet. Weiterhin dienen diese Vakuumschalter als Schutz vor Kurzschlüssen und Überströmen sowie Überspannungen.
Üblicherweise erfolgt in solchen Vakuumschaltern der Antrieb der die Schaltkontakte bewegenden Schaltstange über einen Pneumatikantrieb. Zum Schließen der Schaltkontakte wird der Vakuumschalter daher mit Druckluft beaufschlagt. Die Schaltstange ist mit einem Kolben verbunden, der durch die Druckluft nach oben bewegt wird, die Schaltstange ebenfalls nach oben schiebt, Auslösefedern vorspannt und ein Schließen der Schaltkontakte bewirkt. Über einen Elektromagneten wird der Kolben in der Schließposition der Schaltkontakte gehalten. Zum Öffnen der Schaltkontakte wird der Elektromagnet gelöst, der Kolben löst sich und die Schaltstage wird durch die Auslösefedern nach unten verschoben.
Solche Pneumatikantriebe weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Es ist eine aufwändige Aufbereitung der Luft mit Wasserabscheidern und Staubfängern notwendig, um zu verhindern, dass Schmutz und Feuchtigkeit mitgeführt werden. Daher hat das Druckluftsystem einen hohen Platzbedarf. Die Pneumatiksysteme sind ferner wartungsintensiv und vor allem bei tiefen Temperaturen problemanfällig. Nach längerer Standzeit des Schienenfahrzeugs kann es zu Problemen mit der Druckluftversorgung kommen, d.h. der Druck des Druckluftsystems kann soweit abfallen, dass der benötigte Druck zum Schalten nicht mehr erreicht wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vakuumschalter für den Bahnbetrieb bereitzustellen, der temperaturbeständig und druckluftunabhängig ist, mit geringer Einschaltenergie auskommt und die genauen Anforderungen an die Öffnungsdynamik erfüllt.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Antriebssystem weiter eine die Schaltstange von einer Offenstellung in eine Schaltstellung überführende Hauptfeder, einen Antrieb zum Vorspannen der Hauptfeder, einen Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln der Hauptfeder im vorgespannten Zustand und einen schwenkbar gelagerten Rastriegel umfasst, wobei der Rastriegel zumindest in einer Schwenkverriegelungsstellung längsverschiebbar derart angeordnet ist, dass die Schaltstange mittels des Rastriegels beim Überführen von der Offenstellung in die Schaltstellung freigebbar und in der Schaltstellung verriegelbar ist, und die Schaltstange in einer Schwenkentriegelungsstellung des Rastriegels mittels Verschwenkens des Rastriegels zum Überführen von der Schaltstellung in die Offenstellung freigebbar ist.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst einen mit einem Federspeicher gekoppelten Antrieb. Die Hauptfeder kann mittels des Antriebs im Betrieb vorgespannt werden und in dem vorgespannten Zustand verriegelt werden. Zum Schließen der Schaltkontakte des Vakuumschalters ist daher nur geringe Energie nötig, um die Verriegelung der Hauptfeder zu öffnen. Auch nach längerer Standzeit treten keine Einschaltprobleme auf. Ist die Verriegelung gelöst, so entspannt sich die Hauptfeder, die gespeicherte Federenergie wird auf die Schaltstange übertragen, so dass die Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung überführt wird. Die Federkraft der Hauptfeder verändert sich über den Federweg, so dass die gewünschte Öffnungsdynamik erreicht wird.
Durch die längsverschiebbare und schwenkbare Anordnung des Rastriegels wird ein Freigeben der Schaltstange in beide Richtungen der Schaltstangenbewegung möglich. Bei der Aufwärtsbewegung der Schaltstange verschiebt sich der Rastriegel in Längsrichtung, so dass die Schaltstange in die Schaltposition gebracht werden kann. Dadurch wird die Aufwärtsbewegung gedämpft. Zum Überführen der Schaltstange in die Offenstellung wird der Rastriegel geschwenkt. In der Schwenkverriegelungsstellung sperrt der Rastriegel eine Bewegung nach unten, nimmt im Fahrbetrieb auftretende Stöße auf und verhindert ein versehentliches Öffnen der Schaltkontakte.
Vorzugsweise kann der Antrieb ein elektromotorischer Antrieb sein. Damit werden die mit dem Pneumatiksystem verbundenen Nachteile, wie die Luftaufbereitung, der große Platzbedarf und die Probleme bei Temperaturschwankungen vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass der Rastriegel einen Elektrohaltemagneten zum Verriegeln des Rastriegels in der Schwenkverriegelungsstellung und zum Entriegeln des Rastriegels in der Schwenkentriegelungsstellung aufweist, wobei der Rastriegel im stromdurchflossenen Zustand des Elektrohaltemagneten verriegelt ist und im stromlosen Zustand des Elektrohaltemagneten entriegelt ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Vakuumschalter ausfallsicher ist. Tritt ein Stromausfall auf, so löst der Elektrohaltemagnet die Verriegelung des Rastriegels, der Rastriegel öffnet sich, die Schaltstange wird in die Offenstellung überführt, die Schaltkontakte werden geöffnet und sind in einem sicheren Zustand.
Zweckmäßigerweise ist der Elektrohaltemagnet an dem der Schaltstange abgewandten Ende des Rastriegels angeordnet. Durch diese Maßnahme und die entstehende Hebelwirkung kann die benötigte Haltekraft verringert werden. Eine weitere Anpassung der Haltekraft ist über eine Veränderung des Abstands zwischen dem Schwenkpunkt des Rastriegels und der Position des Elektrohaltemagneten möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rastriegel eine in Längsverschiebrichtung des Rastriegels wirkende Feder aufweist. Beim Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung wird der Rastriegel gegen diese Feder verschoben und, wenn sich die Schaltstange in der Schaltstellung befindet, durch die Feder zurück in seine Arretierungsposition gebracht. Die Schaltstange wird in der Schaltposition verriegelt, versehentliches Öffnen durch Stöße, etc. im Betrieb wird vermieden. Bei der Feder handelt es sich bevorzugt um eine Druckfeder, es ist aber auch denkbar Zugfedern einzusetzen.
Zweckmäßigerweise weisen der Rastriegel und die Schaltstange einander zugeordnete Auflauframpen auf, die beim Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung benachbart zueinander angeordnet sind. Durch die schrägen Auflauframpen wird die Längsverschiebung des Rastriegels bei der Überführung der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung erleichtert. Die Schaltstange und der Rastriegel gleiten leichter aneinander vorbei.
Bevorzugter Weise kann die Schaltstange eine Hinterschneidung aufweisen, in die der Rastriegel in der Schaltstellung eingerastet ist. Diese Hinterschneidung kann auch durch die Endfläche der Schaltstange gebildet werden. Der Rastriegel rastet in die Schaltstange ein, wenn diese die Schaltstellung erreicht hat und verhindert so, dass die Schaltstange zurück in die Offenstellung rutscht. Auch bei durch im Betrieb erzeugten Stößen kann durch diesen Formschluss ein versehentliches Öffnen der Schaltkontakte vermieden werden.
In einer Variante kann vorgesehen werden, dass der Rastriegel mit einem Dämpfer verbunden ist. Mit diesem Dämpfer wird die Schwenkbewegung des Rastriegels in beiden Endpositionen gedämpft, um ein hartes Anschlagen des Ankers des Elektrohaltemagneten an einem oberen Anschlag und auf dem Elektrohaltemagneten zu vermeiden.
Eine weitere Variante sieht vor, dass die Schaltstange einen Rückstellmechanismus zum Überführen der Schaltstange in die Offenstellung aufweist. Befindet sich der Rastriegel in der Schwenkentriegelungsstellung, so wird die Schaltstange durch den Rückstellmechanismus in die Offenstellung bewegt und die Schaltkontakte werden geöffnet. Durch den Rückstellmechanismus wird zumindest die Kraft aufgebracht, die benötigt wird, um den Rastriegel in der Schwenkentriegelungsstellung zu verschwenken und eventuell verklebte Kontakte zu öffnen.
Bevorzugt kann der Rückstellmechanismus mindestens eine Rückstellfeder umfassen. Auch das Öffnen der Schaltkontakte erfolgt damit durch gespeicherte Energie. Vorzugsweise werden als Rückstellfedern Druckfedern eingesetzt, die in der Schaltstellung zusammengedrückt werden und in der Offenstellung entspannt sind. Es ist aber auch denkbar Zugfedern einzusetzen.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, dass die Hauptfeder mittels einer schaltzustandsabhängig wirkenden Kopplungseinrichtung mit der Schaltstange derart verbunden ist, dass die Hauptfeder und die Schaltstange beim Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung gekoppelt und in der Schaltstellung entkoppelt sind. Durch die Kopplungseinrichtung wird ermöglicht, dass die Hauptfeder nur zeitweilig mit der Schaltstange verbunden ist. Dadurch kann die Hauptfeder in der Schaltstellung der Schaltstange vorgespannt werden, ohne auf die Schaltstange einzu wirken. Zweckmäßigerweise ist die in der Hauptfeder gespeicherte Energie größer, als die zum Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung benötigte Energie. Durch die Wirkentkopplung kann sich die Hauptfeder nach dem Überführen der Schaltstange in die Schließstellung auspendeln und die Restenergie abbauen. Diese Restenergie muss nicht in weiteren Bauteilen des Vakuumschalters aufgefangen werden.
Bevorzugt kann vorgesehen werden, dass der elektromotorische Antrieb mittels einer Welle mit der Hauptfeder verbunden ist. Auf diese Weise wird eine sehr einfache Verbindung zwischen Hauptfeder und Motorwelle erzielt.
Die Hauptfeder kann mit einem Endbereich exzentrisch an der Welle angeordnet sein. Im vorgespannten Zustand übt die Feder daher ein Drehmoment auf die Welle aus, so dass diese sich beim Lösen des Verriegelungsmechanismus dreht und die in der Hauptfeder gespeicherte Energie über die Kopplungseinrichtung auf die Schaltstange übertragen wird.
Zweckmäßigerweise kann die Kopplungseinrichtung ein Koppelgetriebe umfassen, wobei die Hauptfeder mittels des Koppelgetriebes mit der Schaltstange verbunden ist. Durch den Einsatz eines Koppelgetriebes ist ein kompakterer Aufbau des Antriebssystems möglich.
In einer bevorzugten Ausbildung kann das Koppelgetriebe mindestens einen an der Welle angeordneten Nocken umfassen. Auf diese Weise wird einfach ermöglicht, dass die Hauptfeder bei Umdrehung der Welle nur zeitweise mit der Schaltstange verbunden ist.
Bevorzugter Weise ist der Nocken beim Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung mit einem mit der Schaltstange verbunden Hebel wirkverbunden. Der Nocken kommt mit einem Ende des Hebels in Eingriff und bewegt dieses Ende nach unten. Das andere Ende des Hebels ist mit der Schaltstange verbunden und wird daher nach oben bewegt. Durch die dadurch erzielte Hebelwirkung ist der Einsatz einer schwächeren Hauptfeder möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Nocken so ausgebildet, dass er in einem Winkelbereich von maximal 240° mit dem Hebel wirkverbunden ist. So wird Si chergestellt, dass der Nocken dann, wenn die Hauptfeder mittels der Welle und dem elektromotorischen Antrieb vorgespannt wird, nicht mit dem Hebel in Eingriff kommt.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass der Verriegelungsmechanismus einen elektrischen Auslösemagneten aufweist und der Verriegelungsmechanismus im stromdurchflossenen Zustand des elektrischen Auslösemagneten entriegelt ist. Auch auf diese Weise wird ein betriebssicherer Vakuumschalter bereitgestellt: im stromlosen Zustand wird die Haltefeder durch den Verriegelungsmechanismus verriegelt und die Schaltkontakte bleiben daher in der Offenstellung. In diesem Verriegelungszustand wird keine Halteenergie benötigt. Zum Einschalten des Vakuumschalters ist nur eine geringe Einschaltenergie notwendig, die benötigt wird, um den Auslösemagneten zu aktivieren, somit den Verriegelungsmechanismus zu öffnen und dadurch die in der Hauptfeder gespeicherte Energie auf die Schaltstange zu übertragen.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen werden, dass der Verriegelungsmechanismus eine erste mit der Hauptfeder verbundene Klinke und eine zweite mit dem elektrischen Auslösemagneten verbundene Klinke aufweist, wobei die erste Klinke im Verriegelungszustand mit der zweiten Klinke in Eingriff steht. Somit ist eine einfache Realisierung des Verriegelungsmechanismus möglich. Wird der elektrische Auslösemagnet mit Energie beaufschlagt, so wird die zweite Klinke von dem Auslösemagneten eingezogen, dadurch die erste Klinke entriegelt und die gespeicherte Federenergie auf die Schaltstange übertragen. Durch die Verbindung der Hauptfeder mit der ersten Klinke ist ein kompakter Aufbau des Antriebssystems möglich.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, dass die Schaltstange über ein Kniegelenk mit mindestens einem der Schaltkontakte verbunden ist. Auf diese Weise ist eine günstige Anordnung des Vakuumschalters auf dem Fahrzeugdach möglich.
Eine Variante sieht vor, dass das Kniegelenk ein Federgetriebe umfasst und die Schaltkontakte mittels des Federgetriebes nachstellbar sind. Dadurch ist keine Nachjustierung der Federn oder des Kniegelenks notwendig, wodurch ein wartungsarmer Aufbau erzielt wird.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Schalten der Schaltkontakte eines oben beschriebenen Vakuumschalters. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Positionieren der Schaltstange in die Schaltstellung,
Überführen des Rastriegels in die Schwenkentriegelungsstellung,
Überführen der Schaltstange in die Offenstellung mittels des Rückführmechanismus.
Durch dieses Verfahren wird ein sicheres Schalten des Vakuumschalters ermöglicht. Zum Öffnen der Schaltkontakte wird der Rastriegel in die Schwenkentriegelungsstellung überführt und um einen Schwenkpunkt geschwenkt.
Gemäß einer Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Positionieren der Schaltstange in die Schaltstellung die folgenden Schritte umfasst:
Überführen des Rastriegels in die Schwenkverriegelungsstellung,
Entriegeln des Verriegelungsmechanismus der Hauptfeder,
Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung,
Vorspannen der Hauptfeder und
Schließen des Verriegelungsmechanismus der Hauptfeder.
Zum Schließen der Hauptkontakte ist nur die geringe Energie notwendig, die zum Halten des Rastriegels in die Schwenkverriegelungsstellung benötigt wird sowie die Impulsenergie zum Entriegeln des Verriegelungsmechanismus der Hauptfeder. Das Einschalten des Vakuumschalters ist daher auch bei schwachen Batterien möglich. Da die Hauptfeder im Betriebszustand bereits wieder vorgespannt wird, befindet sich der Vakuumschalter nach dem Öffnen der Schaltkontakte wieder in einem Bereitschaftszustand und die gespeicherte Federenergie kann sofort zum Einschalten genutzt werden.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Seitenansicht des Vakuumschalters in einem Ruhezustand mit entspannter Hauptfeder,
2 Seitenansicht des Vakuumschalters beim Aufziehen der Hauptfeder,
3 Seitenansicht des Vakuumschalters in einem Bereitschaftszustand mit gespannter Hauptfeder,
4 Explosionsansicht des Antriebssystems und der Vakuumschaltkammer des Vakuumschalters beim Aufziehen der Hauptfeder,
5 Seitenansicht mit teilweiser Schnittdarstellung des Vakuumschalters in Offenstellung der Schaltstange mit gespannter Hauptfeder,
6 Seitenansicht mit teilweiser Schnittdarstellung des Vakuumschalters beim Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung,
7 Seitenansicht mit teilweiser Schnittdarstellung des Vakuumschalters in Schaltstellung der Schaltstange.
8 Rastriegel in Schwenkverriegelungsstellung beim Überführen der Schaltstange von der Offenstellung in die Schaltstellung,
9 Rastriegel in Schwenkverriegelungsstellung, wobei sich die Schaltstange in der Schaltstellung befindet und
10 Rastriegel in Schwenkentriegelungsstellung bei Überführen der Schaltstange von der Schaltstellung in die Offenstellung.
In 1 ist eine Seitenansicht eines Vakuumschalters 1 dargestellt. Ein solcher Vakuumschalter 1 wird beispielsweise in Schienenfahrzeugen zum Verbinden des Stromabnehmers mit dem Haupttransformator verwendet. Der Vakuumschalter 1 umfasst einen Schaltteil 2, in dem eine Vakuumschaltkammer angeordnet ist. Die Vakuumschaltkammer weist Schaltkontakte auf, die über ein Antriebssystem 3 geschlossen und geöffnet werden. Üblicherweise ist ein solcher Vakuumschalter 1 mit einer Befestigungsgrundplatte 4 am Dach des Schienenfahrzeugs befestigt. Das Antriebssystem 3 kann dabei auf der Befestigungsgrundplatte 4, also an der Fahrzeugaußenseite, oder unter der Befestigungsgrundplatte 4, also auf der Fahrzeuginnenseite, befestigt werden. Die an der Fahr zeugaußenseite angeordneten Bauteile sind von Isolatoren 30 umgeben und werden vor Umwelteinflüssen geschützt.
Das Antriebssystem 3 weist eine Schaltstange 5 auf, die mit mindestens einem der Schaltkontakte verbunden ist, um diesen zum Schalten des Vakuumschalters 1 zu bewegen. Das Antriebssystem 3 umfasst weiterhin eine Hauptfeder 6, mit der die Schaltstange 5 aus einer Offenstellung, in der die Schaltkontakte geöffnet sind, in eine Schaltstellung, in der die Schaltkontakte geschlossen sind, überführt werden kann. Bei der Hauptfeder 6 handelt es sich vorzugsweise um eine Zugfeder, die in 1 im entspannten Zustand dargestellt ist. Die Hauptfeder 6 ist an ihrem einen Ende 7 mit der Befestigungsgrundplatte 4 verbunden. An ihrem anderen Ende 8 ist die Hauptfeder 6 exzentrisch mit einer Welle 9 verbunden. Die Welle 9 ist mit einem elektromotorischen Antrieb 10 verbunden (siehe 4). Mittels des elektromotorischen Antriebs 10 wird die Welle 9 gedreht und die exzentrisch mit der Welle 9 verbundene Hauptfeder 6 zum Speichern von Federenergie vorgespannt. In 2 ist ein Zwischenzustand beim Spannen der Hauptfeder dargestellt, der vorgespannte Zustand der Hauptfeder 6 ist in 3 gezeigt. Im vorgespannten Zustand wird die Hauptfeder 6 über einen Verriegelungsmechanismus 11 verriegelt. Im Verriegelungszustand der Hauptfeder 6 muss keine Halteenergie bereit gestellt werden.
Die Hauptfeder 6 ist mit der Schaltstange 5 über eine Kopplungseinrichtung verbunden, die die Hauptfeder 6 nur zeitweilig, d.h. nur in einem bestimmten Winkelbereich bei Umdrehung der Welle 9, mit der Schaltstange 5 in Wirkverbindung bringt (siehe 5 – 7). Die Wirkverbindung zwischen der Hauptfeder 6 und der Schaltstange 5 besteht dann, wenn die Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung überführt wird. Befindet sich die Schaltstange 5 in der Schaltstellung, so sind die Hauptfeder 6 und die Schaltstange 5 entkoppelt.
An der Welle 9 ist ferner mindestens ein Nocken 12 angeordnet. Der Nocken 12 ist so auf der Welle 9 angeordnet, dass er im vorgespannten Zustand der Hauptfeder 6 benachbart zu einem mit der Schaltstange 5 verbundenen, um einen zwischen dem Nocken 12 und der Schaltstange 5 angeordneten Drehpunkt drehbaren Hebel 13 positioniert ist.
Der Verriegelungsmechanismus 11 ist so angeordnet, dass die exzentrisch an der Welle 9 angreifende Hauptfeder 6 im vorgespannten Zustand über ihrem Totpunkt verriegelt wird (siehe 5). Der elektromotorische Antrieb 10 ist mit einem Schnappschalter verbunden, der kurz über dem Totpunkt der Hauptfeder 6 angeordnet ist. Passiert die Hauptfeder 6 den Totpunkt, so schaltet der Schnappschalter den Elektromotor 10 aus und die Hauptfeder 6 wird durch ihre Federenergie gegen den Verriegelungsmechanismus 11 gezogen. Die Hauptfeder 6 übt daher ein Drehmoment auf die Welle 9 aus, das den gleichen Drehsinn hat, wie die Vorspannbewegung der Drehwelle 9.
Wird nun der Verriegelungsmechanismus 11 gelöst, so wird die Welle 9 durch die Hauptfeder 6 in die gleiche Richtung gedreht, wie beim Vorspannen der Hauptfeder 6. Dabei wirkt der Nocken 12 auf den Hebel 13 ein, so dass die Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung verschoben wird. Der Nocken 12 ist dabei so ausgebildet, dass er über maximal einen Winkel von 240° mit dem Hebel 13 in Kontakt kommt. Beim Vorspannen der Hauptfeder 6 kommt der Nocken 12 nicht mit dem Hebel 13 in Kontakt, so dass die Schaltwelle 5 in diesem Zustand von der Hauptfeder 6 entkoppelt ist (siehe 6 und 7).
In dem in den 1–7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Verriegelungsmechanismus 11 ein Klinkensystem auf. Die Hauptfeder 6 ist mittels einer ersten Klinke 14 an der Welle 9 angeordnet. Diese Klinke 14 liegt im Verriegelungszustand der Hauptfeder 6 an einer zweiten Klinke 15 an. Die zweite Klinke 15 ist mit einem elektrischen Auslösemagneten 16 verbunden, der die Klinke 15 im stromdurchflossenen Zustand einzieht. Dadurch rutscht die Klinke 14 durch eine Aussparung 32 in der Klinke 15 und wird gelöst, die Welle 9 mittels die Hauptfeder 6 gedreht, so dass der Nocken 12 mit dem Hebel 13 in Eingriff kommt und die Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung überführt wird. Der Verriegelungsmechanismus 11 weist weiterhin eine Feder (nicht dargestellt) auf, die die Klinke 15 nach außen drückt, wenn sich der Auslösemagnet 16 im stromlosen Zustand befindet.
Wie in 4 dargestellt, ist die Schaltstange 5 über ein Kniegelenk 17 mit den Schaltkontakten verbunden. Das Kniegelenk 17 umfasst ein Federgetriebe 18, das die Schaltkontakte selbstregulierend nachstellt. Bei Abbrand der Kontakte drücken die Federn des Federgetriebes 18 die Schaltkontakte weiter gegeneinander und sorgen dafür, dass der Mindestkontaktdruck nicht unterschritten wird. Es ist daher keine Wartung oder Nachstel lung der Schaltkontakte notwendig. Zudem weist die Schaltstange 5 einen Rückstellmechanismus, beispielsweise Rückstellfedern 26 auf, die beim Überführen der Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung vorgespannt werden. Mittels der in den Rückstellfedern 26 gespeicherten Federenergie können die Schaltkontakte wieder geöffnet werden.
Das Antriebssystem 3 umfasst weiterhin einen Rastriegel 19, der die Schaltstange 5 in der Schaltstellung arretiert. Dieser Rastriegel 19 ist in den 8 bis 10 im Detail dargestellt. 8 zeigt das Zusammenwirken des Rastriegels 19 und der Schaltstange 5 bei Überführung der Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung. Der Rastriegel 19 weist einen Elektrohaltemagnet 20 mit einem Magnetanker 21 auf. Der Elektrohaltemagnet 20 ist über einen Hebel 31 mit dem Rastriegel 19 verbunden. Dieser Hebel 31 kann federnd sein. Im stromdurchflossenen Zustand zieht der Elektrohaltemagnet 20 den Magnetanker 21 an und arretiert den Rastriegel 19 so in einer Schwenkverriegelungsstellung. Wird die Schaltstange 5 nun durch die Hauptfeder 6 nach oben bewegt, zum Überführen von der Offenstellung in die Schaltstellung, so kommt die an der Schaltstange 5 angeordnete Auflauframpe 22 mit der Auflauframpe 23 des Rastriegels in Berührung. Die Auflauframpen 22, 23 erleichtern das Aneinandervorbeigleiten der Schaltstange 5 am Rastriegel 19. Bei diesem Aneinandervorbeigleiten wird der Rastriegel 19 längsverschoben und gegen eine Feder 24 gedrückt. Die Schaltstange 5 weist eine Hinterschneidung 25 auf, in die der Rastriegel 19 einrastet, wenn die Schaltstange die Schaltposition erreicht. Im dargestellten Fall ist die Hinterschneidung 25 die Endfläche der Schaltstange 5. Das Einrasten des Rastriegels 19 in die Hinterschneidung 25 erfolgt dadurch, dass die Feder 24 den Rastriegel 19 in die Hinterschneidung 25 drückt. Die Hinterschneidung 25 und die Feder 24 sind so ausgebildet, dass der Rastriegel 19 auch bei Erschütterungen im Bahnbetrieb nicht soweit aus der Hinterschneidung rutscht, dass die Schaltstange 5 entriegelt wird.
Die Rückstellfedern 26 üben eine Kraft auf die Schaltstange 5 aus, die diese nach unten gegen den Rastriegel 19 drückt, wenn sich die Schaltstange 5 in der Schaltstellung befindet (siehe 9).
Beim Öffnen der Schaltkontakte wird der Elektrohaltemagnet 20 stromlos geschaltet, so dass die Anziehung des Magnetankers 21 aufgehoben wird (siehe 10). Der Rastriegel 19 befindet sich nun in einer Schwenkentriegelungsstellung. Die Rückstellfedern 26 drücken die Schaltstange 5 nach unten, so dass der Rastriegel 19 um seinen Schwenkpunkt 27 verschwenkt wird. Das untere Ende 28 des Rastriegels 19 bewegt sich nach unten, löst sich aus der Hinterschneidung 25 der Schaltstange 5 und gibt die Schaltstange 5 frei. Die Schaltstange 5 wird durch die Rückstellfedern 26 in die Offenstellung gedrückt. Zur Dämpfung der Schwenkbewegung des Rastriegels 19 in seine Endlagen weist der Rastriegel 19 einen Dämpfer 29 auf.
Im Folgenden wird nun das Schalten der Schaltkontakte des Vakuumschalters, ausgehend vom Bereitschaftszustand des Schalters, näher erläutert.
Im Bereitschaftszustand befindet sich die Hauptfeder 6 im vorgespannten Zustand und wird durch den Verriegelungsmechanismus 11 in diesem Zustand gehalten, die Schaltkontakte sind geöffnet, die Schaltstange 5 befindet sich in der Offenstellung. Wird der Schaltbefehl gegeben, so wird der Elektrohaltemagnet 20 mit der Stromversorgung verbunden, zieht daher den Magnetanker 21 an und verriegelt den Rastriegel 19 in der Schwenkverriegelungsstellung. Die Batteriespannung wird an den elektrischen Auslösemagneten 16 angelegt und dadurch die Klinke 15 des Verriegelungsmechanismus 11 eingezogen. Dadurch wird die Klinke 14 entriegelt, die Hauptfeder 6 zieht sich zusammen und dreht die Welle 9. Der Nocken 12 kommt mit dem Hebel 13 in Eingriff, wodurch die Schaltstange 5 nach oben bewegt und von der Offenstellung in die Schaltstellung überführt wird. Bei der Überführung der Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung gleiten die Auflauframpe 22 der Schaltstange 5 und die Auflauframpe 23 des Rastriegels 19 aneinander vorbei, der Rastregel 19 wird längsverschoben gegen die Feder 24 bis die Hinterschneidung 25 der Schaltstange 5 das obere Ende des Rastriegels 19 erreicht. Der Rastriegel 19 wird durch die Feder 24 in die Hinterschneidung 25 der Schaltstange 5 gedrückt und verriegelt die Schaltstange 5 in der Schaltstellung. Dabei werden die Rückstellfedern 26 gespannt und mit Hilfe des Rastriegels 19 und des Elektrohaltemagneten 20 in ihrer vorgespannten Stellung gehalten. Der Nocken 12 und der Hebel 13 stehen nun nicht mehr im Eingriff. Da die in der Hauptfeder 6 gespeicherte Energie größer ist, als die zum Überführen der Schaltstange 5 von der Offenstellung in die Schaltstellung benötigte Energie, wird die Welle 9 durch die verbleibende Federenergie weitergedreht und die Hauptfeder 6 pendelt sich in entspannter Position ein. Die verbleibende Federenergie muss nicht in Bauteilen des Vakuumschalters aufgenommen werden. Die Schaltkontakte sind nun geschlossen und der Vakuumschalter 1 ist somit in seinem Betriebszustand. Daraufhin erfolgt ein Start des elektromotorischen Antriebs 10, der die Hauptfeder 6 mittels der Welle 9 wieder vorspannt. Überschreitet die Klinke 14 den Totpunkt der Hauptfeder 6 und passiert den Schnappschalter, so wird der elektromotorische Antrieb 10 durch den Schnappschalter ausgeschaltet. Die Klinke 14 wird über die Hauptfeder 6 gegen die Klinke 15 gezogen und nicht mit voller Motorkraft dagegen gefahren. Die vorgespannte Hauptfeder 6 wird über den Verriegelungsmechanismus 11 im vorgespannten Zustand gehalten.
Wird der Öffnungsbefehl gegeben, so wird der Elektrohaltemagnet 20 ausgeschaltet, so dass der Magnetanker 21 nicht mehr angezogen wird. Die Rückstellfedern 26 drücken die Schaltstange 5 nach unten. Dadurch wird eine Kraft auf den Rastriegel 19 ausgeübt und der Rastriegel 19 um seinen Schwenkpunkt 27 nach unten verschwenkt. Dies gibt die Schaltstange 5 frei, die in die Offenstellung überführt wird, die Schaltkontakte werden geöffnet. Da die Hauptfeder 6 im Betriebszustand bereits wieder vorgespannt wurde, befindet sich der Vakuumschalter wieder in seinem Bereitschaftszustand. Für einen erneuten Schließvorgang muss daher nur Energie für den Einschaltimpuls zum Lösen der Klinke 14 aus dem Bordnetz bereitgestellt werden. Dadurch ist ein Schließen des Vakuumschalters auch nach Stunden oder Tagen ohne wesentliche Energie aus der Fahrzeugbatterie möglich.
Es ist auch möglich, den Vakuumschalter 1 in einen Ruhezustand zu überführen. In dem Ruhezustand sind die Schaltkontakte geöffnet, die Schaltstange 5 befindet sich in der Offenstellung und die Hauptfeder 6 ist entspannt.
Der Vakuumschalter 1 zeichnet sich dadurch aus, dass er einen voll elektromechanischen, druckluftunabhängigen Antrieb aufweist. Es kann beim Fahrzeugstart daher keine Probleme durch ungenügenden Druck der Druckluft geben. Da der Schaltvorgang durch die in der Hauptfeder 6 gespeicherte Energie gestartet wird, ist auch ein Einschalten bei schwacher Batteriespannung möglich. Der Vakuumschalter 1 kann auch problemlos für Retrofitanwendungen installiert werden, da keine zusätzlichen Einrichtungen, wie Druckluftleitungen, Wasserabscheider oder Staubfänger benötigt werden. Durch die Druckluftunabhängigkeit wird zudem ein sicherer Betrieb auch bei Extremtemperaturen ermöglicht, die Wartungskosten sind geringer.
Zudem weist der Vakuumschalter 1 ein doppeltes Failsafe-Prinzip auf: bei Stromausfall öffnet sich der Elektrohaltemagnet 20 des Rastriegels 19 und überführt den Rastriegel 19 in die Schwenkentriegelungsstellung, so dass die Schaltkontakte zwangsgeöffnet werden. Der elektrische Auslösemagnet 16 des Verriegelungsmechanismus 11 verriegelt im stromlosen Zustand die Klinken 14 und 15, so dass kein Wiedereinschalten des Vakuumschalters erfolgt.

Claims

Vakuumschalter (1) für den Bahnbetrieb mit mindestens zwei Schaltkontakten und einem Antriebssystem (3) mit einer mindestens einen Schaltkontakt bewegenden Schaltstange (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (3) weiter eine die Schaltstange (5) von einer Offenstellung in eine Schaltstellung überführende Hauptfeder (6), einen Antrieb (10) zum Vorspannen der Hauptfeder (6), einen Verriegelungsmechanismus (11) zum Verriegeln der Hauptfeder (6) im vorgespannten Zustand und einen schwenkbar gelagerten Rastriegel (19) umfasst, wobei der Rastriegel (19) zumindest in einer Schwenkverriegelungsstellung längsverschiebbar derart angeordnet ist, dass die Schaltstange (5) mittels des Rastriegels (19) beim Überführen von der Offenstellung in die Schaltstellung freigebbar und in der Schaltstellung verriegelbar ist, und die Schaltstange (5) in einer Schwenkentriegelungsstellung des Rastriegels (19) mittels Verschwenkens des Rastriegels (19) zum Überführen von der Schaltstellung in die Offenstellung freigebbar ist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) ein elektromotorischer Antrieb ist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastriegel (19) einen Elektrohaltemagneten (20, 21) zum Verriegeln des Rastriegels (19) in der Schwenkverriegelungsstellung und zum Entriegeln des Rastriegels (19) in der Schwenkentriegelungsstellung aufweist, wobei der Rastriegel (19) im stromdurchflossenen Zustand des Elektrohaltemagneten (20, 21) verriegelt ist und im stromlosen Zustand des Elektrohaltemagneten (20, 21) entriegelt ist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrohaltemagnet (20, 21) an dem der Schaltstange (5) abgewandten Ende des Rastriegels (19) angeordnet ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastriegel (19) eine in Längsverschiebrichtung des Rastriegels (19) wirkende Feder (24) aufweist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastriegel (19) und die Schaltstange (5) einander zugeordnete Auflauframpen (22, 23) aufweisen, die beim Überführen der Schaltstange (5) von der Offenstellung in die Schaltstellung benachbart zueinander angeordnet sind.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (5) eine Hinterschneidung (25) aufweist, in die der Rastriegel (19) in der Schaltstellung eingerastet ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastriegel (19) mit einem Dämpfer (29) verbunden ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (5) einen Rückstellmechanismus zum Überführen der Schaltstange (5) in die Offenstellung aufweist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstellmechanismus mindestens eine Rückstellfeder (26) umfasst.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfeder (6) mittels einer schaltzustandsabhängig wirkenden Kopplungseinrichtung mit der Schaltstange (5) derart verbunden ist, dass die Hauptfeder (6) und die Schaltstange (5) beim Überführen der Schaltstange (5) von der Offenstellung in die Schaltstellung gekoppelt und in der Schaltstellung entkoppelt sind.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb (10) mittels einer Welle (9) mit der Hauptfeder (6) verbunden ist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfeder (6) mit einem Endbereich (8) exzentrisch an der Welle (9) angeordnet ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung ein Koppelgetriebe umfassen, wobei die Hauptfeder (6) mittels des Koppelgetriebes mit der Schaltstange (5) verbunden ist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelgetriebe mindestens einen an der Welle (9) angeordneten Nocken (12) umfasst.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (12) beim Überführen der Schaltstange (5) von der Offenstellung in die Schaltstellung mit einem mit der Schaltstange (5) verbundenen Hebel (13) wirkverbunden ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (12) so ausgebildet ist, dass er in einem Winkelbereich von maximal 240° mit dem Hebel (13) wirkverbunden ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verriegelungsmechanismus (11) einen elektrischen Auslösemagneten (16) aufweist und der Verriegelungsmechanismus (11) im stromdurchflossenen Zustand des elektrischen Auslösemagneten (16) entriegelt ist.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verriegelungsmechanismus (11) eine erste mit der Hauptfeder (6) verbundene Klinke (14) und eine zweite mit dem elektrischen Auslösemagneten (16) verbundene Klinke (15) aufweist, wobei die erste Klinke (14) im Verriegelungszustand mit der zweiten Klinke (15) in Eingriff steht.
Vakuumschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (5) über ein Kniegelenk (17) mit mindestens einem der Schaltkontakte verbunden ist.
Vakuumschalter (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kniegelenk (17) ein Federgetriebe (18) umfasst und die Schaltkontakte mittels des Federgetriebes (18) nachstellbar sind.
Verfahren zum Schalten der Schaltkontakte eines Vakuumschalters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Positionieren der Schaltstange (5) in die Schaltstellung, – Überführen des Rastriegels (19) in die Schwenkentriegelungsstellung und – Überführen der Schaltstange (5) in die Offenstellung mittels des Rückführmechanismus.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren der Schaltstange (5) in die Schaltstellung die folgenden Schritte umfasst: – Überführen des Rastriegels (19) in die Schwenkverriegelungsstellung, – Entriegeln des Verriegelungsmechanismus (11) der Hauptfeder (6), – Überführen der Schaltstange (5) von der Offenstellung in die Schaltstellung, – Vorspannen der Hauptfeder (6) und – Schließen des Verriegelungsmechanismus (11) der Hauptfeder (6).