DE102007044245A1

DE102007044245A1 - Magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung sowie Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Antriebssystems

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Publication number: DE102007044245A1
Application number: DE200710044245
Authority: DE
Inventors: Mathias Dipl.-Ing. Eccarius; Karsten Dr. Feindt; Uwe Dipl.-Ing. Hering; Bernd Dipl.-Ing. Malsch; Ralf-Reiner Dipl.-Ing. Volkmar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009034083A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung mit einem Magnetjoch (2), in dem ein Anker (3) aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegengesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, mit wenigstens einem Permanentmagneten (6, 7) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch (2) und mit wenigstens einer Spule, durch die der Anker (3) zwischen seinen Endlagen hin- und herbewegbar ist, wobei die beiden Spulen (8, 9) derart geschaltet sind, dass sie gleichzeitig von einem Betätigungsstrom durchflossen werden. Des Weiteren ist das magnetische Antriebssystem (1) in Abhängigkeit vom Quotienten aus mittlerer Flusslinienlänge (lm) und von den mittleren Flusslinien durchfluteter wirksamer Magnetquerschnittsfläche dimensioniert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 oder 15 angegebenen Art sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Antriebssystems der im Oberbegriff von Patentanspruch 17, 18 oder 19 angegebenen Art.
Magnetische Antriebssysteme, insbesondere bipolare magnetische Antriebssysteme sind beispielsweise aus EP 0 721 650 B1 und WO96/32734 bekannt. Dabei besteht das bistabile Permanentmagnetstellglied aus einem magnetischen Joch mit einer Schichtstruktur, mindestens einem Permamentmagneten und einem Anker, der in einer ersten Richtung innerhalb des Jochs axial hin- und herbewegbar ist. Dabei werden zur Erhöhung des im Antriebssystem entstehenden magnetischen Flusses weitere magnetische Jochbleche hinzugefügt, so dass das Antriebssystem größere Abmessungen aufweist. Hierdurch sinkt der magnetische Widerstand, da die Querschnittsfläche zunimmt, wobei bei konstanter magnetischer Durchflutung der magnetische Fluss und die erzielbare statische Kraft ansteigen. Derartige Antriebssysteme weisen ein hohes Bauvolumen, einen großen Spulenwickelraum und einen hohen Energiebedarf auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Antriebssystem der im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Bauvolumen gegenüber vergleichbaren bistabilen magnetischen Antriebssystemen reduziert ist. Darüber hinaus ist ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung von kompakten magnetischen Antriebssystemen anzugeben.
Hinsichtlich des magnetischen Antriebssystems wird die Aufgabe durch die Merkmale von Patentanspruch 1 oder 15 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung derartiger magnetischer Antriebssysteme wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 17, 18 oder 19 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße magnetische Antriebssystem für eine Schalteinrichtung umfasst ein Magnetjoch, in dem ein Anker aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegen gesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, und wenigstens einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch und wenigstens zwei getrennte Spulen, durch die der Anker zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist, wobei das magnetische Antriebssystem und/oder deren Komponenten, wie Magnetjoch, Anker, Spulen, Permanentmagneten in Abhängigkeit vom Quotienten aus mittlerer Flusslinienlänge und von den mittleren Flusslinien durchfluteter wirksamer Magnetquerschnittsfläche dimensioniert sind.
Durch eine derartige, vom Verhältnis aus mittlerer Flusslinienlänge und Magnetquerschnittsfläche abhängige Dimensionierung einzelner oder aller Komponenten des Magnetantriebs ist gegenüber herkömmlichen bistabilen Magnetantrieben beim erfindungsgemäßen bistabilen Magnetantrieb bei weitgehend gleichem wirksamen magnetischen Volumen eine höhere maximale Haftkraft durch eine geringere minimale Umschaltleistung ermöglicht, da der magnetische Schaltwiderstand reduziert ist. Durch eine derartige Konfiguration des magnetischen Antriebssystems mit geringen von den Spulen zu induzierenden Umschaltenergien bei größtmöglichen Haftkräften und weitgehend gleich bleibendem Volumen kann das magnetische Antriebssystem bei zumindest vergleichbaren Schalteigenschaften kleinstmöglich dimensioniert werden. Insbesondere ist mittels des erfindungsgemäßen kompakten bistabilen magnetischen Antriebssystems eine maximale Haftkraft von größer 4500 N durch eine Umschaltleistung von kleiner 2000 W ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform sind die beiden Spulen derart geschaltet, dass sie vom Betätigungsstrom in entgegengesetzten Richtungen durchflossen werden. Dabei können die beiden Spulen parallel betätigt werden. Alternativ können die beiden Spulen elektrisch parallel oder seriell geschaltet sein. Durch die parallele Betätigung bzw. die elektrisch parallele oder serielle Schaltung der beiden Spulen werden diese weitgehend gleichzeitig von einem Betätigungsstrom durchflossen und somit betätigt. Das nahezu gleichzeitige Durchfließen der Spulen vom Betätigungsstrom hat insbesondere beim Umschalten der Ankerposition den Vorteil, dass das anziehende Magnetfeld um den Schaltspalt und das kompensatorische Magnetfeld um die Ankerruheposition gleichzeitig wirksam werden. Hierdurch können die von den Spulen zu induzierenden Umschaltenergien geringer als bei herkömmlichen Permanentmagneten mit vergleichbaren Schalteigenschaften dimensioniert werden. Darüber hinaus sind schnellere Umschaltgeschwindigkeiten ermöglicht.
Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, dass zur Reduzierung der Bauform und Abmessungen des Antriebssystems ausgehend vom magnetischen Fluss und der magnetischen Flussdichte gemäß den nachfolgenden Beziehungen ein Magnetjoch eine kleinstmögliche mittlere Fluss- oder Feldlinienlänge und einen größtmöglichen durchfluteten Eisenquerschnitt aufweisen sollte:

mit Φ = magnetischer Fluss, Θ = magnetische Durchflutung, R_Fe = magnetischer Widerstand des Eisens, R_δ = Luftspaltwiderstand des Ankers, l_Fe = mittlere Flusslinienlänge im homogenen Feld, I = Stromstärke, μ_Fe relative Permeabilität des Eisens, μ_o = magnetische Feldkonstante, A_Fe = wirksame Magnetquerschnittsfläche, δ = Arbeitsluftspalt des Ankers, w = Energie, F = magnetische Haftkraft im homogenen Feld, B = magnetische Flussdichte.
Dabei bedingt eine große Flusslinienlänge große Spulenwickelräume. Um diese zu reduzieren, ist es Kern der Erfindung, den Magnetantrieb in Abhängigkeit vom Quotienten aus mittlerer Flusslinienlänge und wirksamer Magnetquerschnittsfläche zu dimensionieren und/oder die beiden Spulen so zu beschalten, dass sie gleichzeitig jeweils von einem Betätigungsstrom in entgegen gesetzter Richtung durchströmt werden.
Zur Optimierung der Bauform des magnetischen Antriebssystems wurden anhand der oben beschriebenen magnetischen Parameter gemäß Gleichungen [1] bis [4] für ein optimales Eisen-Kupfer-Verhältnis mittels einer Netzwerkanalyse mehrere weitere Dimensionierungsparameter ermittelt, welche zu einem geringeren Spulenwickelvolumen und somit Spulenwickelraum, zu einer geringeren mittleren Flusslinienlänge und einer höheren durchflossenen Querschnittsfläche führen. Darüber hinaus wurden anhand der umfangreichen Netzwerkanalyse der Zusammenhänge der magnetischen Parameter gemäß Gleichungen [1] bis [4] die Dimensionierungsparameter derart ermittelt, dass als Betriebsparameter ein reduzierter magnetischer Widerstand sowohl in der Schaltstellung "EIN" als auch in der Schaltstellung "AUS", eine höhere kraftwirksame Ankerpolfläche, eine höhere Haftkraft und eine reduzierte Spulenspitzenleistung sowie reduzierte Geometriefaktoren gegeben sind. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Spulen des bistabilen Magneten immer so zu schalten, dass beide gleichzeitig bestromt werden. Als Optimierungskriterien wurden weiterhin ein minimales Bauvolumen, eine maximale mechanische Energie, insbesondere bei minimalen Permanentmagnetvolumen, eine maximale Haltekraft und eine maximale Kontaktdruckkraft vorgegeben und berücksichtigt, wobei die Endlagen stromlos sicher gehalten werden sollen und die Schaltleistung so gering wie möglich sein soll. Dabei basieren die nachfolgenden Dimensionierungen auf einer halben wirksamen Magnethöhe.
In einer ersten möglichen Ausführungsform ist für ein magnetisches Antriebssystem mit einer vorgegebenen magnetischen Flussdichte von B = 1.8 T und halber wirksamer Magnethöhe als ein erster Dimensionierungsparameter ein Quotient aus mittlerer Flusslinienlänge und durchfluteter Magnetquerschnittsfläche gegeben, der einen Wert von kleiner 0.11 aufweist. Dies führt insbesondere zu einem reduzierten magnetischen Schaltwiderstand und somit maximaler Anzugskraft. Als ein zweiter Dimensionierungsparameter ist ein Quotient aus durchfluteter Magnetquerschnittsfläche und quadratischer mittlerer Flusslinienlänge gegeben, der einen Wert von größer 0.04 aufweist. Durch eine derartige Konstruktion und Auslegung des magnetischen Antriebssystems ist eine maximale Halte- und Anzugskraft gegeben, wobei der Anker bis in die Sättigung aussteuert und die Eisenlänge so klein wie möglich gehalten ist. Die mittlere Fluss- oder Feldlinienlänge ergibt sich dabei insbesondere aus dem mittleren Flussweg durch die halbe Breite und Höhe des Jochblechs, der Höhe bzw. Dicke eines Permanentmagneten und der Höhe des Luftspalts und einer Teilhöhe des Ankers oder ohne Luftspalt einer größeren Teilhöhe des Ankers.
Darüber hinaus sind zur Berücksichtigung eines optimalen transienten Verlaufs während des Schaltens als dritter Dimensionierungsparameter ein vom ausgeführten Hub abhängiger Quotient aus Ankerweg und durchfluteter Ankerquerschnittsfläche und als ein vierter Dimensionierungsparameter ein von einem ausgeführten Hub abhängiger Quotient aus durchfluteter Ankerquerschnittsfläche und quadratischem Ankerweg gegeben. Dabei weist der dritte Dimensionierungsparameter bei einem Hub von 17 mm einen Wert von ca. 0.006 oder bei einem Hub von 14 mm einen Wert von ca. 0.005 auf. Der vierte Dimensionierungsparameter weist bei einem Hub von 17 mm einen Wert von ca. 8 oder größer oder bei einem Hub von 14 mm einen Wert von ca. 14 oder größer auf. Um einen sicheren Anzug im statischen Fall zu gewährleisten, werden die Spulen mit einem Betätigungsstrom von ca. 20 A oder mehr, z. B. 30 A durchflossen. Aufgrund einer starken induktiven Rückwirkung während der Bewegung und dem damit verbundenen Stromeinbruch bleibt die transiente Kraftwirkung unterhalb der statischen Kraftwirkung, wobei die Endlagen beim Ausschalten sicher gehalten und stabil sind.
Als besonders vorteilhafte weitere fünfte bis achte Dimensionierungs-, insbesondere Geometrieparameter haben sich die Ankerhöhe, die höchstens das 1.9fache der Höhe des Permanentmagneten beträgt, die Ankerbreite, die höchstens das 0.95fache der Höhe des Permanentmagneten beträgt, die Spulenbreite, die höchstens das 0.8fache der Höhe des Permanentmagneten beträgt, und die Spulenhöhe, die höchstens das 0.8fache der Höhe des Permanentmagneten beträgt erwiesen. Bedingt durch die niedrige vorgegebene Höhe oder Dicke des Permanentmagneten weist das magnetische Antriebssystem ein besonders kleines Permanentmagnetvolumen auf. Bevorzugt ist dabei der Spulenwickelraum quadratisch ausgeführt. Das Volumenverhältnis von Eisen zu Kupfer ist größer 8.
Beim Handhaben eines derart ausgebildeten magnetischen Antriebssystems mit als so genannte Hochenergie-Dauermagneten bezeichneten Permanentmagneten kann es bei der Montage zu Verletzungen aufgrund der hohen Magnetkräfte kommen. So sind die Kräfte zwischen den losen zu montierenden Permanentmagneten beispielsweise maximal 360 N bis 485 N groß, so dass ein manuelles Montieren kaum möglich ist. Dabei können nach Einbau des Ankers im geschlossenen Eisenkreis und entsprechender Bündelung der Feldlinien Kräfte von > 4000 N erzielt werden. Um das Verletzungsrisiko zu vermeiden, sind verschiedene Mon tagealgorithmen vorgegeben, wobei in einem ersten möglichen Ausführungsbeispiel vor einem Einsetzen mindestens eines Permanentmagneten in ein Magnetjoch ein zugehöriger Anker in das Magnetjoch eingesetzt wird. Durch die Montage des Magneten nach dem Anker, insbesondere nach einem Anker-Spulen-Paket verringert sich die Normalkraft gegenüber der Einzelmontage, selbst wenn der Anker am Anschlag steht. Bei Vormontage des Ankers kann dieser zudem gesichert werden. Dabei ist das Einbringen des ersten Permanentmagneten einfach und sicher möglich. Das Einbringen des zweiten Permanentmagneten hängt maßgeblich von den Toleranzen der Teile ab.
Alternativ zum Nacheinandereinsetzen der Teile sind zur Fixierung von mindestens einem Permanentmagneten beim Einsetzen dieser in das Magnetjoch mehrere Stützelemente aus weichmagnetischem und/oder nichtmagnetischem Material am Permanentmagnet anliegend vorgesehen. Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel werden der Anker, auf welchem wenigstens zwei getrennte Spulen aufgesetzt sind, und mindestens einer oder beide Permanentmagneten als eine Baueinheit vormontiert, die im Ganzen in das Magnetjoch eingesetzt wird.
Die verschiedenen möglichen Montageverfahren ermöglichen eine hinreichend gute mechanische Sicherung beim Montieren der Permanentmagneten, wobei die wirksame Normalkraft eines einzelnen Permanentmagneten 360 N nicht übersteigt, welche vom Blechpaket des Magnetjochs aufgenommen werden. Dabei treten Querkräfte von ca. 90 N beim Aufsetzen der Permanentmagnete an den Kanten auf. Bei der Montage des Ankers wirkt eine erheblich höhere Querkraft von ca. 190 N. Hierzu wird der Anker bei der Montage gesichert, um eine Bewegung des Ankers an den Anschlag, an welchem eine Haltekraft von größer 4000 N wirkt, zu vermeiden. Insbesondere wird der Anker vor den Permanentmagneten oder mit diesen als eine ganze Baueinheit montiert, so dass die hohen Querkräfte bei der Ankermontage vermieden sind und der Anker nicht gesondert zentriert werden muss.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung zu entnehmen, wobei einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel für Abmessungen eines magnetischen Antriebssystems, die anhand von vorgegebenen Dimensionierungsparametern ermittelt wurden,
4 schematisch im Querschnitt den Eisenkreis des magnetischen Antriebssystems mit eingetragener mittlerer Flusslinienlänge,
5 ein Ausführungsbeispiel für die Stromrichtung des Betätigungsstroms der Spulen des magnetischen Antriebssystems,
6 bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele für Schaltungen der Spulen des magnetischen Antriebssystems,
9 bis 12 ein Ausführungsbeispiel für eine Montagevorrichtung zur sequentiellen Montage der Teile des magnetischen Antriebssystems in verschiedenen Ansichten.
In 1 ist ein permanentmagnetisches Antriebssystem 1 zur Betätigung einer Schalteinrichtung im Schnitt gezeigt. Das magnetische Antriebssystem 1 umfasst einen rechteckförmigen Rahmen, der aus einem Magnetjoch 2 besteht. In dem Magnetjoch 2 ist ein beispielsweise massiver Anker 3 aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegen gesetzten Endlagen linear schiebegeführt. Alternativ kann der Anker 3 auch aus gestapelten Einzelblechen gebildet sein.
Das Magnetjoch 2 besteht aus einer Vielzahl von übereinander gestapelten Einzelblechen, welche in der Grundform rahmenför mig mit zwei, gegenüber den anderen Rahmenseiten kürzeren Rahmenseiten ausgebildet sind. Alternativ kann das Magnetjoch 2 auch massiv aus massiven Rahmenprofilen gebildet sein. Im Mittelbereich der längeren Rahmenseiten des Magnetjochs 2 ragt von diesen jeweils ein vorspringender Polschenkel 4 und 5 ab, wobei die einander gegenüberliegenden Polschenkel 4, 5 gegeneinander gerichtet sind. Auf den einander mit Abstand gegenüberliegenden Enden der Polschenkel 4, 5 sind plattenförmige Permanentmagnete 6 bzw. 7 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch 2 befestigt.
Der Anker 3 ist endseitig mit wenigstens zwei getrennten Spule 8 und 9 versehen, durch die der Anker 3 zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine anhand von mindestens einem oder mehreren Dimensionierungsparametern ermittelte optimale Abmessung für das magnetische Antriebssystem 1 dargestellt. Dabei ist bzw. sind eine beliebige Kombination oder alle der folgenden Dimensionierungsparameter zur Bestimmung der jeweils zu erzielenden Abmessung magnetischen Antriebssystems 1 gegeben:

– ein erster Dimensionierungsparameter ist der Quotient aus mittlerer Flusslinienlänge und durchfluteter Magnetquerschnittsfläche, der einen Wert von kleiner gleich 0.11 aufweist;
– ein zweiter Dimensionierungsparameter ist der Quotient aus durchfluteter Magnetquerschnittsfläche und quadratischer mittlerer Flusslinienlänge, der einen Wert von größer gleich 0.04 aufweist;
– ein dritter Dimensionierungsparameter ist ein vom ausgeführten Hub oder Ankerweg s abhängiger Quotient aus Ankerweg s und durchfluteter Ankerquerschnittsfläche (z. B. bei einem Hub von 17 mm mit einem Wert von ca. 0.006 oder kleiner und bei einem Hub von 14 mm mit einem Wert von ca. 0.005 oder kleiner);
– ein vierter Dimensionierungsparameter ist ein von einem ausgeführten Hub abhängiger Quotient aus durchfluteter Ankerquerschnittsfläche und quadratischem Ankerweg s (z. B. bei einem Hub von 17 mm mit einem Wert von ca. 8 oder größer und bei einem Hub von 14 mm mit einem Wert von ca. 14 oder größer);
– ein fünfter Dimensionierungsparameter betrifft die Ankerhöhe H3, die höchstens das 1.9fache der Höhen H6, H7 der Permanentmagneten 6, 7 beträgt;
– ein sechster Dimensionierungsparameter betrifft die Ankerbreite B3, die höchstens das 0.95fache der Höhe H6, H7 der Permanentmagneten 6, 7 beträgt;
– ein siebter Dimensionierungsparameter betrifft die Spulenbreiten B8, B9, die höchstens das 0.8fache der Höhen H6, H7 der Permanentmagneten 6, 7 beträgt;
– ein achter Dimensionierungsparameter betrifft die Spulenhöhen H8, H9, die höchstens das 0.8fache der Höhen H6, H7 der Permanentmagneten 6, 7 beträgt; und/oder
– ein neunter Dimensionierungsparameter betrifft das Volumenverhältnis von Eisen zu Kupfer, das größer 8 ist.

Für eine optimale Bauraumbegrenzung unter Berücksichtigung der oben dargestellten Dimensionierungsparameter kann das Antriebssystem 1 Abmessungen aufweisen, die in den nachfolgend beschriebenen Bereichen liegen:

– optimale Ankerbreite B3 von 40 mm bis 45 mm,
– optimale Jochbreite B2 von 24 mm bis 26 mm,
– optimale Magnetbreite B6, B7 von 40 mm bis 50 mm,
– minimale Magnethöhe H6, H7 von 7 mm,
– für die maximale mechanische Energie bzw. Kontaktdruckkraft kann die Magnethöhe H6, H7 eine Dicke von maximal bis zu 20 mm aufweisen,
– die Gesamttiefe T1 des Antriebssystems 1 beträgt ca. 90 mm oder größer.

2 und 3 zeigen das magnetische Antriebssystem 1 in Seitenansicht bzw. Draufsicht.
4 zeigt im Querschnitt des Antriebssystems 1 den Eisenkreis auf Basis eines halben wirksamen Permanentmagneten 6 mit einer mittleren Flusslinienlänge l_m, die sich wie folgt zusammensetzt: lm = l2.1 + l2.2 + l2.3 + l2.4 + l6.1 + l3.1 + l3.2 + lL mit l_m = mittlere Flusslinienlänge des berücksichtigten Eisenkreises, l_2.1 bis l_2.4 = mittlerer Flusslinienlänge des Jochbleches 2, l_6.1 = mittlere Flusslinienlänge des Permanentmagneten 6, l_3.1 bis l_3.2 = mittlere Flusslinienlänge des Ankers 3, l_L = mittlere Flusslinienlänge des Luftspalts L.
Bedingt durch den symmetrischen Aufbau des magnetischen Antriebssystems 1 wird die mittlere Flusslinienlänge l_m anhand eines die halbe Höhe H6 des Permanentmagneten 6 berücksichtigenden Eisenkreises ermittelt.
5 zeigt die Beschaltung der beiden Spulen 8 und 9 derart, dass sie gleichzeitig von einem Betätigungsstrom durchflossen werden. Hierzu sind die Spulen 8 und 9, wie in den 6 bis 8 gezeigt, seriell oder parallel geschaltet und mittels einer Spannungsquelle U_q oder als separate Spulen 8 und 9 gleichzeitig separat von zugehörigen Spannungsquellen U_q,E und U_q,A bestromt.
Im Zusammenbau des Antriebssystems 1 mit Magnetjoch 2, den zwei Spulen 8, 9 und den Polschenkeln 4 und 5, durch deren Magnetfeld der Anker 3 bei entsprechender Polrichtung nach Überwindung seiner Anhaftung an den kurzen Rahmenseiten des Magnetjochs 2 beispielsweise in seine obere Endlage verschoben würde, wird der Vorschub des Ankers 3 durch Anschlagen an der Unterseite der kurzen Rahmenseite begrenzt. Nach Umkehrung der Polrichtung des Magnetfeldes wird der Anker 3 nach Überwindung der Anhaftung durch Magnetkräfte wieder nach unten in die gezeigte Endlage auf die Oberseite der unteren kurzen Rahmenseite niedergedrückt und in der Anlagestellung gehalten. Die Wirkungsweise solcher Magnetantriebe ist als solche bekannt, so dass hier auf weitergehende Erläuterungen verzichtet wird.
Das Magnetjoch 2 besteht hier aus einer Vielzahl dünner Jochbleche, die zu dem gezeigten, dicken Jochblechstapel gefügt sind. Demgegenüber besteht der Anker 3 aus einem Block ferromagnetischen Materials bekannter Art, insbesondere aus einer entsprechenden Eisenlegierung. Auch kann das Magnetjoch 2 alternativ aus einem Block und der Anker 3 aus Einzelblechen gebildet sein.
9 bis 12 zeigen ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 10 zur Montage des magnetischen Antriebssystems 1. Dabei umfasst die Vorrichtung 10 eine Grundplatte 11, welche bodenseitig auf zwei Auflegeelemente 12 befestigt, insbesondere geschraubt ist. Dabei ist die Grundplatte 11 randseitig auf den schmalen Auflegeelementen 12 aufgesetzt. In 12 zeigt der Pfeil R in Richtung Boden der Montagevorrichtung 10.
Mittig weist die Grundplatte 11 in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Aussparung auf, durch welche die Elemente des Antriebssystems 1 einzeln oder als vormontierte Baueinheiten eingeführt und zum vollständigen Antriebssystem 1 zusammengesetzt werden. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 10 zwei Spannblöcke 13 auf, welche oberhalb der Grundplatte 11 randseitig auf diese aufgebracht und befestigt, insbesondere geschraubt sind. Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Einschiebeeinrichtung 14, z. B. einen so genannten Durchtreiber oder Schieber, mittels dessen einer der Permanentmagneten 6 in das auf der Grundplatte 11, insbesondere in einer nicht näher dargestellten Aussparung gehaltene Magnetjoch 2 eingesetzt wird. Die Einzelbleche des Magnetjochs 2 sind mittels Befestigungselemente 15 zusammengehalten.
Für eine gute Führung der Einschiebeeinrichtung 14 und der einzusetzenden Permanentmagnete 6, 7 sind jeweils ein Magnethalterrückschluss 16 und ein Magnethalter 17 vorgesehen. Der Magnethalter 17 ist wie auch die Einschiebeeinrichtung 14 bevorzugt aus unmagnetischem Material, so dass Verletzungen beim Aufbringen des Permanentmagneten 6, 7 auf diese Haftflächen vermieden sind. Die Haftung der Permanentmagneten 6, 7 auf dies Haftflächen wird dadurch realisiert, dass auf der Rückseite der Haftflächen ein oder mehrerer Eisenplatten mit entsprechender Dicke angebracht sind. Um beim Aufbringen der Permanentmagneten 6, 7 ein seitliches Ausbrechen zu verhindern, sind die Eisenplatten auch an ihren oberen Kanten mit unmagnetischem Material umfasst.
Mittels der Vorrichtung 10 kann das Antriebssystem 1 in unterschiedlicher Art und Weise zusammengesetzt werden. In einer möglichen Ausführungsform wird vor dem Einsetzen des oder Permanentmagneten 6, 7 in das Magnetjoch 2 der zugehörige Anker 3 in das Magnetjoch 2 eingesetzt. Dabei kann der Anker 3 mit aufgesetzten Spulen 8, 9 und bevorzugt als eine vormontierte Baueinheit in das Magnetjoch 2 eingesetzt werden, wie dies beispielhaft in den 9 bis 12 gezeigt ist. Im Ausführungsbeispiel nach den 9 bis 12 ist der Anker 3 mit den Spulen 8 und 9 bereits in das Magnetjoch 2 eingesetzt. Mittels der Einschiebeeinrichtung 14 werden anschließend die Permanentmagneten 6, 7 in die dafür vorgesehene Fuge zwischen Anker 3 und Magnetjoch 2 eingebracht. Dabei kann die Einschiebeeinrichtung 14 bevorzugt u-förmig ausgebildet sein, so dass beide Permanentmagneten 6, 7 gleichzeitig eingesetzt und gefügt werden können.
Zusätzlich kann zur Fixierung der Permanentmagneten 6, 7 beim Einsetzen in das Magnetjoch 2 jeweils ein nicht näher dargestelltes Stützelement aus weichmagnetischem und/oder nichtmagnetischem Material am Permanentmagnet 6, 7 anliegend vorgesehen sein. Diese werden nach Montage wieder entnommen.
Alternativ können der Anker 3 mit aufgesetzten Spulen 8, 9 und die Permanentmagneten 6, 7 als eine integrierte Baueinheit vormontiert werden, die im Ganzen in das Magnetjoch 2 eingesetzt wird. Mit anderen Worten: Die Montage des An triebssystems 1 mittels der Vorrichtung 10 zur Montage kann sowohl komplett manuell durch Einsetzen der einzelnen Teile oder integrierter, vorgefertigten Baueinheiten mittels der Schiebeeinrichtung 14 als auch teil- oder vollautomatisiert erfolgen.

1: Antriebssystem
2: Magnetjoch
3: Anker
4, 5: Polschenkel
6, 7: Permanentmagnete
8, 9: Spule
10: Vorrichtung
11: Grundplatte
12: Auflegeelemente
13: Spannblöcke
14: Einschiebeeinrichtung
15: Befestigungselemente
16: Magnethalterrückschluss
17: Magnethalter
A: Aus
E: Ein
l_m: mittlere Flusslinienlänge
l_{m2.1 bis 2.4}: mittlere Flusslinienlänge Magnetjoch
l_{m3.1 bis 3.2}: mittlere Flusslinienlänge Anker
l_m6.1: mittlere Flusslinienlänge Permanentmagnet
l_mL: mittlere Flusslinienlänge Luftspalt
L: Luftspalt
R: Pfeilrichtung Boden
U_q: Spannungsquelle
U_q,E: Spannungsquelle für eingeschaltete Spule
U_q,A: Spannungsquelle für ausgeschaltete Spule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0721650 B1 [0002]
- WO 96/32734 [0002]

Claims

Magnetisches Antriebssystem (1) für eine Schalteinrichtung mit einem Magnetjoch (2), in dem ein Anker (3) aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegen gesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, mit wenigstens einem Permanentmagneten (6, 7) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch (2) und mit wenigstens einer Spule (8, 9), durch die der Anker (3) zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Antriebssystem (1) und/oder deren Komponenten in Abhängigkeit vom Quotienten aus mittlerer Flusslinienlänge (l_m) und von den mittleren Flusslinien durchfluteter wirksamer Magnetquerschnittsfläche dimensioniert sind.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus mittlerer Flusslinienlänge (l_m) und durchfluteter wirksamer Magnetquerschnittsfläche einen Wert von kleiner gleich 0.11 aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Dimensionierungsparameter der Quotient aus durchfluteter wirksamer Magnetquerschnittsfläche und quadratischer mittlerer Flusslinienlänge (l_m²) ist und einen Wert von größer gleich 0.04 aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Dimensionierungsparameter ein vom ausgeführten Hub abhängiger Quotient aus Ankerweg (s) und durchfluteter wirksamer Ankerquerschnittsfläche ist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Dimensionierungsparameter bei einem Hub von 17 mm einen Wert von kleiner 0.006 aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Dimensionierungsparameter bei einem Hub von 14 mm einen Wert von kleiner 0.005 aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Dimensionierungsparameter ein von einem ausgeführten Hub abhängiger Quotient aus durchfluteter wirksamer Ankerquerschnittsfläche und quadratischem Ankerweg (s²) ist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Dimensionierungsparameter bei einem Hub von 17 mm einen Wert von größer 8 aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Dimensionierungsparameter bei einem Hub von 14 mm einen Wert von größer 14 aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerhöhe (H3) höchstens das 1.9fache der Höhe (H6, H7) des Permanentmagneten (6, 7) beträgt.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerbreite (B3) höchstens das 0.95fache der Höhe (H6, H7) des Permanentmagneten (6, 7) beträgt.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenbreite (B8, B9) höchstens das 0.8fache der Höhe (H6, H7) des Permanentmagneten (6, 7) beträgt.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenhöhe (H8, H9) höchstens das 0.8fache der Höhe (H6, H7) des Permanentmagneten (6, 7) beträgt.
Magnetisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis von Eisen zu Kupfer größer 8 ist.
Magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung mit einem Magnetjoch (2), in dem ein Anker (3) aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegen gesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, mit wenigstens einem Permanentmagneten (6, 7) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch (2) und mit wenigstens zwei getrennten Spule (8, 9), durch die der Anker (3) zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (8, 9) derart geschaltet sind, dass sie gleichzeitig von einem Betätigungsstrom durchflossen werden.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (8, 9) parallel betätigbar oder elektrisch parallel oder elektrisch seriell schaltbar sind.
Verfahren zur Montage eines magnetisches Antriebssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Einsetzen mindestens eines Permanentmagneten (6, 7) in ein Magnetjoch (2) ein zugehöriger Anker (3) in das Magnetjoch (2) eingesetzt wird.
Verfahren zur Montage eines magnetisches Antriebssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung von mindestens einem Permanentmagneten (6, 7) beim Einsetzen in ein Magnetjoch (2) mehrere Stützelemente aus weichmagnetischem und/oder nichtmagnetischem Material am Permanentmagnet (6, 7) anliegend vorgesehen sind.
Verfahren zur Montage eines magnetisches Antriebssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anker (3), auf welchem wenigstens zwei getrennte Spulen (8, 9) aufgesetzt werden und mindestens ein Permanentmagnet (6, 7) als eine Baueinheit vormontiert werden, die im Ganzen in ein Magnetjoch (2) eingesetzt wird.