DE102010041728B4 - Magneto-mechanical actuator, switching arrangement and method for operating a magneto-mechanical actuator - Google Patents

Magneto-mechanical actuator, switching arrangement and method for operating a magneto-mechanical actuator Download PDF

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Abstract

Magneto-mechanischer Aktor für eine Schalteinheit mit – einem Magnetaktor (10), der einen Anker (17) aufweist, wobei der Anker (17) wenigstens eine magnetische Einheit (16) umfasst und mittels derer magnetisch aktuierbar ist, und wenigstens – einem mechanischen Energiespeicher (20), wobei der Anker (17) so mit dem mechanischen Energiespeicher (20) verbunden ist, dass mit dem mechanischen Energiespeicher (20) eine mechanische Kraft (Fmec) auf den Anker (17) ausübbar ist, sowie mit – einem Kondensator und einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist, den Kondensator mit dem elektrischen Strom, der durch die Bewegung des Ankers (17) und der mit dem Anker (17) verbundenen magnetischen Einheit (16) in einer magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) induziert wird, zu laden.Magneto-mechanical actuator for a switching unit with - a magnetic actuator (10) which has an armature (17), the armature (17) comprising at least one magnetic unit (16) and by means of which can be magnetically actuated, and at least - one mechanical energy store (20), the armature (17) being connected to the mechanical energy store (20) in such a way that a mechanical force (Fmec) can be exerted on the armature (17) with the mechanical energy store (20), as well as with a capacitor and a control device, wherein the control device is designed, the capacitor with the electric current generated by the movement of the armature (17) and the magnetic unit (16) connected to the armature (17) in a magnetic actuation unit (18a / b) is induced to load.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetaktor zur Aktuierung von Schaltern, insbesondere Leistungsschalter.The present invention relates to a solenoid actuator for the actuation of switches, in particular circuit breakers.

Es ist bekannt, im Bereich der Mittelspannungsschaltanlagentechnik Aktoren einzusetzen. Prinzipiell sind zur Aktuierung von Schaltanlagen rein mechanische, hydraulische oder elektromagnetische Antriebe bekannt. Die rein mechanische Aktuierung hat den Nachteil, dass die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten begrenzt sind, sowie der mechanische Aufbau komplex und damit teuer und fehleranfällig ist. Hydraulische Aktoren sind von Leckage betroffen und haben somit den Nachteil eines erhöhten Wartungsbedarfs. Eine elektromagnetische Aktuierung benötigt, um erforderliche Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, einen großen elektrischen Energieeintrag, der somit nachteilig die notwendige Elektronik anfällig und teuer macht.It is known to use actuators in the field of medium-voltage switchgear engineering. In principle, purely mechanical, hydraulic or electromagnetic drives are known for the actuation of switchgear. The purely mechanical actuation has the disadvantage that the achievable switching speeds are limited, and the mechanical structure is complex and therefore expensive and error-prone. Hydraulic actuators are affected by leakage and thus have the disadvantage of increased maintenance requirements. Electromagnetic actuation, in order to achieve required switching speeds, requires a large input of electrical energy, which thus disadvantageously makes the necessary electronics vulnerable and expensive.

DE 19646243C1 offenbart einen elektromagnetischen Differenzstrom-Auslöser mit einem Betätigungsorgan, welches einerseits mit einem dauermagnetischen Anker und andererseits mit einem Stößel zur Auslösung eines Leistungsschalters verbunden ist. Der Anker wird in einem Ruhezustand mittels seiner Dauermagnetkraft an einem Jochschenkel eines Jochs gehalten, wobei die Dauermagnetkraft eine Druckfederkraft, welche der Dauermagnetkraft entgegenwirkt und den Anker vom Joch wegzudrücken strebt, überwindet. Mittels einer erregbaren Spule kann der Dauermagnetfluss geschwächt werden, sodass die Druckfeder den Anker vom Jochschenkel wegdrückt und der Stößel in eine Auslöseposition gelangt. DE 19646243C1 discloses an electromagnetic differential current release with an actuator, which is connected on the one hand with a permanent magnet armature and on the other hand with a plunger for triggering a circuit breaker. The armature is held in a resting state by means of its permanent magnet force on a yoke leg of a yoke, wherein the permanent magnet force overcomes a compression spring force, which counteracts the permanent magnet force and strives to push away the armature from the yoke. By means of an excitable coil, the permanent magnet flux can be weakened, so that the compression spring pushes the armature off the yoke leg and the plunger reaches a triggering position.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Aktuierung von Schaltanlagen bereitzustellen, durch die insbesondere ausreichend hohe Schaltgeschwindigkeiten bei geringem Wartungsbedarf und niedrigem elektrischem Energiebedarf gewährleistet sind. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Aktuierung von Schaltanlagen anzugeben.It is an object of the present invention to provide an improved device for the actuation of switchgear, which ensures in particular sufficiently high switching speeds with low maintenance and low electrical energy consumption. It is another object of the present invention to provide an improved method for actuation of switchgear.

Die Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß dem Patenanspruch 9 gelöst. Ein Verfahren, das die gestellte Aufgabe löst, ist im Patentanspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by a device according to the patent claim 1 and by a device according to the patent claim 9. A method which achieves the stated object is specified in claim 10. Advantageous embodiments of the device and further developments of the method are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein magneto-mechanischer Aktor für eine Schalteinheit zur Aktuierung wenigstens eines Schalters. Dieser umfasst einen Magnetaktor, wobei der wenigstens einen Anker aufweist. Der Anker umfasst wenigstens eine magnetische Einheit und ist mittels derer magnetisch aktuierbar. Die Vorrichtung umfasst weiter wenigstens einen mechanischen Energiespeicher, wobei der Magnetaktor und der mechanische Energiespeicher so angeordnet sind, und der Anker so mit dem mechanischen Energiespeicher verbunden ist, dass mit dem mechanischen Energiespeicher eine mechanische Kraft auf den Anker ausübbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, und ist somit für die Aktuierung von Lasttrennschaltern, bei denen eine Schaltung unter Last vorgesehen ist, geeignet. Die hohe Schaltgeschwindigkeit hat den Vorteil, dass der Schaltweg schnell überwunden werden kann und somit die Dauer des Schaltvorgangs reduziert wird. Dadurch wird eine Schadigung der Schalterelektroden verringert, zu der es durch die Ausbildung von Lichtbögen bei einem Schaltvorgang unter Last kommt. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 1 m/s erreicht. Es konnen sogar von der erfindungsgemaßen Vorrichtung Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s erreicht werden.The device according to the invention is a magneto-mechanical actuator for a switching unit for actuating at least one switch. This comprises a magnetic actuator, which has at least one armature. The armature comprises at least one magnetic unit and by means of which magnetically actuated. The device further comprises at least one mechanical energy store, wherein the magnetic actuator and the mechanical energy storage are arranged, and the armature is connected to the mechanical energy storage, that with the mechanical energy storage, a mechanical force on the anchor is exercisable. The device according to the invention has the advantage of achieving high switching speeds, and is thus suitable for the actuation of switch-disconnectors in which a circuit is provided under load. The high switching speed has the advantage that the switching path can be overcome quickly and thus the duration of the switching operation is reduced. This reduces damage to the switch electrodes, which is caused by the formation of arcs during a switching operation under load. In particular, switching speeds of more than 1 m / s are achieved by the device according to the invention. It can even be achieved by the inventive device switching speeds of more than 10 m / s.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetische Aktuierungs-Einheit ausgestaltet ist, fur einen Aktuierungsvorgang in einem vorgebbaren Zeitintervall eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker auszuüben. Des Weiteren ist die magnetische Einheit ausgestaltet, in einer ersten Halteposition eine magnetische Haltekraft auf den Anker auszuüben. Der mechanische Energiespeicher ist ausgestaltet, auf den Anker in einer ersten Halteposition eine mechanische Kraft auszuuben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der mechanischen Kraft des mechanischen Energiespeichers und aus der magnetischen Aktuierungskraft der magnetischen Aktuierungs-Einheit betragsmäßig großer ist als die magnetische Haltekraft der magnetischen Einheit und in einer zweiten Halteposition die mechanische Kraft des mechanischen Energiespeichers auf den Anker annähernd gleich Null oder zumindest vernachlässigbar gegenüber den anderen wirkenden Kraften ist.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the magnetic actuation unit is designed to exert a magnetic Aktuierungskraft on the armature for a Aktuierungsvorgang in a predetermined time interval. Furthermore, the magnetic unit is configured to exert a magnetic holding force on the armature in a first holding position. The mechanical energy accumulator is configured to exert a mechanical force on the armature in a first holding position that is opposite in directional terms to the magnetic holding force and smaller in magnitude than the magnetic holding force, so that in the case of Aktuierungsvorgangs the sum of the mechanical force of the mechanical energy storage and from the magnetic Aktuierungskraft the magnetic Aktuierungs unit in terms of magnitude is greater than the magnetic holding force of the magnetic unit and in a second holding position, the mechanical force of the mechanical energy storage on the armature is approximately equal to zero or at least negligible compared to the other acting forces.

Alternativ ist ein zweiter mechanischer Energiespeicher ausgestaltet, in der zweiten Halteposition eine zweite mechanische Kraft auf den Anker auszuuben, die richtungsmäßig der ersten mechanischen Kraft des ersten mechanischen Energiespeichers in der ersten Halteposition entgegengesetzt ist, und so wiederum der zweiten magnetischen Haltekraft in der zweiten Halteposition entgegengesetzt ist, jedoch betragsmaßig kleiner ist als die zweite magnetische Haltekraft in der zweiten Halteposition.Alternatively, a second mechanical energy store is configured to exert a second mechanical force on the armature in the second holding position, which directionally opposes the first mechanical force of the first mechanical energy store in the first holding position, and thus in turn opposes the second magnetic holding force in the second holding position is, however, smaller in magnitude than the second magnetic holding force in the second holding position.

Durch den mechanischen Energiespeicher wird also eine zusatzliche Kraft auf den Anker ausgeubt, die gestattet, den Anker durch eine Aktuierungskraft in Bewegung zu versetzen, die betragsmäßig sehr viel geringer sein kann als die mechanische Kraft oder die magnetische Haltekraft. Diese Ausgestaltung der Erfindung bietet also den Vorteil einer elektromechanischen Aktuierung mit niedriger Aktuierungsenergie. Somit kann eine flexible Ansteuerung, eine kompakte Bauweise, ein verschleiß- und wartungsarmer Betrieb, sowie eine kostensparende Auslegung der Ansteuerungselektronik gewährleistet werden. By the mechanical energy storage so an additional force is exerted on the armature, which allows to move the armature by an actuation force in motion, the amount can be much lower than the mechanical force or the magnetic holding force. This embodiment of the invention thus offers the advantage of an electromechanical actuation with low Aktuierungsenergie. Thus, a flexible control, a compact design, a low-wear and low-maintenance operation, as well as a cost-saving design of the control electronics can be ensured.

Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung einen Magnetaktor und wenigstens ein Gehäuse mit einer magnetischen Aktuierungs-Einheit. Der Magnetaktor ist bevorzugt bistabil ausgestaltet, derart, dass der Anker wenigstens eine magnetische Einheit aufweist und ausgestaltet ist, wenigstens eine erste und eine zweite Halteposition einzunehmen, wobei durch die magnetische Einheit in den Haltepositionen eine magnetische Haltekraft auf den Anker ausubbar ist, die den Anker in Kontakt mit dem Gehause halt. Dabei dient die magnetische Aktuierungs-Einheit zur Uberwindung der Haltekraft und bewegt zusammen mit dem mechanischen Energiespeicher den Anker von der ersten in die zweite Halteposition. Dazu wird von der magnetischen Aktuierungs-Einheit ein Aktuierungsmagnetfeld erzeugt, das auf die magnetische Einheit des Ankers in Richtung der nächsten einzunehmenden Halteposition wirkt.Advantageously, the device comprises a magnetic actuator and at least one housing with a magnetic actuation unit. The magnetic actuator is preferably designed to be bistable, such that the armature has at least one magnetic unit and is configured to assume at least a first and a second holding position, wherein a magnetic holding force on the armature can be taken out by the magnetic unit in the holding positions in contact with the housing halt. The magnetic actuation unit serves to overcome the holding force and, together with the mechanical energy store, moves the armature from the first to the second holding position. For this purpose, an actuation magnetic field is generated by the magnetic actuation unit, which acts on the magnetic unit of the armature in the direction of the next stop position to be assumed.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mechanische Energiespeicher eine Feder. Die magnetische Aktuierungs-Einheit kann beispielsweise eine elektromagnetische Einheit sein, insbesondere eine Spule. Die magnetische Einheit kann beispielsweise ein Permanentmagnet sein. Der Energiespeicher ist ausgestaltet, in der ersten Halteposition eine Kraft auf den Anker auszuuben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und betragsmaßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der Kraft des mechanischen Energiespeicher und aus der elektromagnetischen Kraft einer elektromagnetischen Einheit die magnetische Haltekraft des Permanentmagneten überwunden wird, in einer Position des Ankers während eines Aktuierungsvorgangs keine Kraft auf den Anker ausgeübt wird, und in einer zweiten Halteposition eine Kraft auf den Anker ausgeubt wird, die der Kraft in der ersten Halteposition richtungsmaßig entgegengesetzt ist, so dass diese wiederum der magnetischen Haltekraft in der zweiten Halteposition entgegenwirkt, jedoch betragsmaßig kleiner als die magnetische Haltekraft in der zweiten Halteposition ist. Kraftbetrag und -richtung der elektromagnetischen Einheit sind insbesondere über die Bestromung, d. h. Stromrichtung und Stromstärke, der Spule variierbar.In an exemplary embodiment of the invention, the mechanical energy store comprises a spring. The magnetic actuation unit can be, for example, an electromagnetic unit, in particular a coil. The magnetic unit may for example be a permanent magnet. The energy storage device is configured to exert a force on the armature in the first holding position, which directionally counteracts the magnetic holding force and is smaller than the magnetic holding force, so that in the case of a Aktuierungsvorgangs the sum of the force of the mechanical energy storage and from the electromagnetic force an electromagnetic unit, the magnetic holding force of the permanent magnet is overcome, in a position of the armature during a Aktuierungsvorgangs no force is exerted on the armature, and in a second holding position, a force is exerted on the armature, the direction in the first stop position Richtungsmaßig opposite so that in turn counteracts the magnetic holding force in the second holding position, but is smaller in magnitude than the magnetic holding force in the second holding position. Power amount and direction of the electromagnetic unit are in particular on the energization, d. H. Current direction and current, the coil variable.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als schwingungsfähiges System ausgestaltet, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse umfasst, welches eine Einschrankung der Bewegung des Ankers zwischen den Haltepositionen im Gehause bedingt, wobei durch die Abmessungen des Gehauses eine Maximalamplitude A der Ankerbewegung festgelegt ist, und einen Schwinger der Masse M aufweist, wobei der Schwinger wenigstens den Anker und die magnetische Einheit umfasst, und wobei der Energiespeicher durch eine definierte Proportionalitätskonstanten k gekennzeichnet ist, und wobei die Eigenfrequenz ω des schwingungsfahigen Systems indirekt proportional zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitätskonstanten k ist. Insbesondere gilt zusätzlich, dass die halbe Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maximalamplitude A ist. Die Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers ist insbesondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch eine geeignete Auslegung des mechanischen Energiespeichers die Schaltgeschwindigkeit genau eingestellt werden kann. Liegt die zweite Halteposition insbesondere im bzw. nahe dem Umkehrpunkt der Schwingung, verlangsamt der Anker dort dementsprechend seine Geschwindigkeit, wodurch insbesondere die Abbremsbeschleunigung und damit die Schockbelastung der Mechanik deutlich vermindert werden kann, was eine längere Lebensdauer bei preiswerteren Komponenten ermöglicht.In an advantageous embodiment of the invention, the device is designed as a vibratory system, wherein the device comprises a housing which restricts the movement of the armature between the holding positions in the housing, wherein by the dimensions of the housing a maximum amplitude A of the armature movement is fixed, and a vibrator of mass M, wherein the oscillator comprises at least the armature and the magnetic unit, and wherein the energy storage is characterized by a defined proportionality constant k, and wherein the natural frequency ω of the oscillatory system is indirectly proportional to the square root of the mass M of the vibrator and directly is proportional to the square root of the proportionality constant k. In particular, the half cycle of the system, which is inversely proportional to ω, is therefore inversely proportional to the average velocity v of the armature and directly proportional to the maximum amplitude A. The average velocity v of the armature is in particular equal to the switching speed of the switch. Such a configuration has the advantage that the switching speed can be set accurately by a suitable design of the mechanical energy storage. If the second stop position is in particular at or near the reversal point of the oscillation, the armature slows its speed there accordingly, which in particular the Abbremsbeschleunigung and thus the shock load of the mechanism can be significantly reduced, allowing a longer life with cheaper components.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Magnetaktor. Des Weiteren ist wenigstens ein Kondensator und wenigstens eine magnetische Aktuierungs-Einheit umfasst. Die magnetische Einheit ist eine elektromagnetische Einheit, insbesondere eine Spule. Des Weiteren ist eine Elektronikeinheit umfasst, wobei die Elektronikeinheit ausgestaltet ist, den Kondensator mittels elektrischem Strom zu laden, der durch die Bewegung des Ankers und der mit dem Anker verbundenen magnetischen Einheit in der magnetischen Aktuierungs-Einheit induzierbar ist. Insbesondere ist die magnetische Einheit ein Permanentmagnet. Dabei ist der Kondensator, zur Pufferwirkung, als elektrischer Energiespeicher ausgestaltet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der durch die Ankerbewegung in den Spulen induzierte Strom gespeichert werden kann und im gleichen oder im nächsten Bewegungsvorgang wieder zur Verfügung gestellt werden kann. Somit können der mechanische Energiespeicher und der Kondensator als elektrische Energiespeicher gekoppelt werden. Das bietet insbesondere den weiteren Vorteil, dass Reibungsverluste und Energieverluste durch Wirbelstromdämpfung ausgeglichen werden können.According to the invention, the device comprises a magnetic actuator. Furthermore, at least one capacitor and at least one magnetic actuation unit are included. The magnetic unit is an electromagnetic unit, in particular a coil. Furthermore, an electronic unit is included, wherein the electronic unit is configured to charge the capacitor by means of electrical current that is inducible by the movement of the armature and the magnetic unit connected to the armature in the magnetic actuation unit. In particular, the magnetic unit is a permanent magnet. In this case, the capacitor, designed for buffer effect, as an electrical energy storage. This embodiment has the advantage that the current induced by the armature movement in the coils can be stored and made available again in the same or in the next movement process. Thus, the mechanical energy storage and the capacitor can be coupled as electrical energy storage. This offers in particular the further advantage that friction losses and energy losses can be compensated by eddy current damping.

Beispielsweise ist die Vorrichtung mit einem Anker ausgestattet, der ein stabförmiges Element aufweist und mit einem Gehäuse ausgestattet, das wenigstens einen Führungsdurchlass für das stabförmige Element des Ankers aufweist, und der Anker ist innerhalb des Gehäuses mittels des stabförmigen Elements führbar. Diese zweckdienliche Ausgestaltung der Erfindung bietet den Vorteil, dass Reibungsverluste und Energieverluste durch Wirbelstromdampfung ausgeglichen werden können.For example, the device is equipped with an anchor having a rod-shaped element and equipped with a housing having at least one guide passage for the rod-shaped element of the armature, and the armature is within the housing by means of the rod-shaped element feasible. This expedient embodiment of the invention has the advantage that friction losses and energy losses can be compensated by eddy current vaporization.

Beispielsweise ist die Vorrichtung mit einem Anker ausgestattet, der ein stabformiges Element aufweist und mit einem Gehäuse ausgestattet, das wenigstens einen Führungsdurchlass für das stabförmige Element des Ankers aufweist, und der Anker ist innerhalb des Gehäuses mittels des stabförmigen Elements führbar. Diese zweckdienliche Ausgestaltung der Erfindung bietet den Vorteil, dass die Vorrichtung eine kompakte Bauweise aufweisen kann und uber das stabförmige Element außerhalb der Vorrichtung einen Anschlusspunkt für die Schalteinheit zur Verfugung stellt. Insbesondere können über die stabformige Einheit ein oder mehrere Vakuumschaltröhren angeschlossen werden. Beispielsweise können die Vakuumschaltröhren oder Mittelspannungsschaltanlagen oder Leistungsschalter, insbesondere Lasttrennschalter, über geeignete Kraftubertragungseinrichtungen angeschlossen werden. Geeignete Kraftubertragungseinrichtungen können Hebel oder Wellen sein.For example, the device is equipped with an armature having a rod-shaped element and equipped with a housing having at least one guide passage for the rod-shaped element of the armature, and the armature is within the housing by means of the rod-shaped element feasible. This expedient embodiment of the invention has the advantage that the device can have a compact design and provides a connection point for the switching unit via the rod-shaped element outside the device. In particular, one or more vacuum interrupters can be connected via the rod-shaped unit. For example, the vacuum interrupters or medium-voltage switchgear or circuit breakers, in particular switch disconnectors, can be connected via suitable power transmission devices. Suitable power transmission devices may be levers or shafts.

Zweckdienlich ist eine Schaltanordnung der erfindungsgemaßen Vorrichtung oder einer vorteilhaften Ausführung davon mit einer Schalteinheit. Insbesondere weist die Schalteinheit mehrere Leistungsschalter auf. Dabei kann die Schalteinheit so mit dem Magnetaktor und dem mechanischen Energiespeicher angeordnet sein, dass sie mit dem Anker verbunden ist. Insbesondere sind die Schalteinheit und der mechanische Energiespeicher auf sich gegenüber liegenden Seiten des Magnetaktors angebracht. Die Vorrichtung kann also beispielsweise so ausgestaltet sein, dass auf der einen Seite des Magnetaktors der mechanische Energiespeicher angebracht ist, und auf der gegenüber liegenden Seite des Magnetaktors die Schalteinheit angebracht ist. Insbesondere kann somit der Anker in Form des stabförmigen Elements durch den mechanischen Energiespeicher, den Magnetaktor und die Schalteinheit geführt sein. Insbesondere können somit die Federn in den Vakuumschaltrohren oder Leistungsschaltern in Summe als zweiter mechanischer Energiespeicher dienen. Insbesondere ist auch der erste mechanische Energiespeicher in Form einer Druckfeder realisiert. Alternativ kann der mechanische Energiespeicher ein Gasdruckspeicher sein, der durch Kompression einer Gassaule kinetische Energie in potentielle Energie umsetzt. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher auch Blattfedern oder Tellerfedern umfassen. Alternativ kann der mechanische Energiespeicher mit Torsionsfedern, z. B. auf einem Hebel, realisiert sein. Eine weitere Alternative stellen Drehstabfedern, Elastomerfedern oder Evolutfedern dar. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher auch Ringfedern umfassen.Conveniently, a switching arrangement of the inventive device or an advantageous embodiment thereof with a switching unit. In particular, the switching unit has a plurality of power switches. In this case, the switching unit may be arranged with the magnetic actuator and the mechanical energy storage that it is connected to the armature. In particular, the switching unit and the mechanical energy storage are mounted on opposite sides of the magnetic actuator. The device may thus be configured, for example, such that the mechanical energy store is mounted on one side of the magnetic actuator, and the switching unit is mounted on the opposite side of the magnetic actuator. In particular, the armature in the form of the rod-shaped element can thus be guided through the mechanical energy store, the magnetic actuator and the switching unit. In particular, therefore, the springs in the vacuum switching tubes or circuit breakers can serve in total as the second mechanical energy storage. In particular, the first mechanical energy storage in the form of a compression spring is realized. Alternatively, the mechanical energy storage can be a gas pressure accumulator, which converts kinetic energy into potential energy by compression of a gas column. For example, the mechanical energy storage may also include leaf springs or disc springs. Alternatively, the mechanical energy storage with torsion springs, z. B. on a lever, be realized. Another alternative is torsion bar springs, elastomer springs or Evolutfedern. For example, the mechanical energy storage can also include ring springs.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung des zu aktuierenden Schalters. Die Betatigungseinrichtung kann beispielsweise selbst einen mechanischen Energiespeicher umfassen. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher ein Federspeicher sein. Dieser kann so ausgestaltet sein, dass eine Notöffnung durch Handbetatigung moglich ist. Dies hat den Vorteil, dass z. B. im Falle eines Stromausfalls die magnetische Haltekraft, insbesondere der magnetischen Einheit, beispielsweise eines Permanentmagneten, durch einen Hebel uberwunden werden kann. Die Betatigungseinrichtung zur manuellen Öffnung kann also beispielsweise einen Hebel umfassen. Die Betatigungseinrichtung ist zweckdienlicherweise so ausgestaltet, dass der Magnetaktor trotz fehlender Aktivierungskraft durch die magnetische Aktuierungs-Einheit lediglich durch die mechanische Energie in dem mechanischen Energiespeicher den Schalter offnet, d. h. beispielsweise eine volle Halbschwingung ausführt und im Zustand der Stromtrennung der Schalter wieder einrastet.In an advantageous embodiment of the invention, the device comprises an actuating device for manual opening of the switch to be actuated. The actuation device may, for example, itself comprise a mechanical energy store. For example, the mechanical energy storage may be a spring accumulator. This can be designed so that an emergency opening by manual actuation is possible. This has the advantage that z. B. in the case of a power failure, the magnetic holding force, in particular the magnetic unit, such as a permanent magnet, can be overcome by a lever. The actuation device for manual opening can thus comprise, for example, a lever. The actuation device is expediently designed in such a way that, despite the absence of an activating force by the magnetic actuation unit, the magnetic actuator merely opens the switch by the mechanical energy in the mechanical energy store, ie. H. For example, performs a full half-wave and snaps back in the state of power disconnection of the switch.

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dient zur Aktuierung wenigstens eines Schalters und umfasst wenigstens einen Aktuierungsvorgang, einen ersten und einen zweiten Haltezustand. Der Aktuierungsvorgang umfasst die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit. Während des ersten Haltezustands wird auf den Anker eine magnetische Haltekraft ausgeubt. Zusätzlich wird auf den Anker eine mechanische Kraft ausgeubt, die richtungsmaßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist. Während des zweiten Haltezustands wird auf den Anker eine mechanische Kraft ausgeübt, die der mechanischen Kraft des ersten Haltezustands richtungsmaßig entgegenwirkt, so dass die wiederum richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft des zweiten Haltezustands entgegenwirkt, jedoch betragsmaßig kleiner als die magnetische Haltekraft des zweiten Haltezustands ist. Für den Aktuierungsvorgang wird in einem vorgebbaren Zeitintervall eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker ausgeübt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt. Die zusätzliche Beschleunigung des Aktors mit dem zusatzlichen mechanischen Energiespeicher hat den Vorteil, stark beschleunigte Schaltvorgänge zu ermoglichen. Somit kann ein Elektrodenabbrand der Schaltelektroden vermieden werden, der beispielsweise in bisherigen Lasttrennschaltern dadurch entstand, dass bei zu geringer Schaltgeschwindigkeit auf kurzen Distanzen zwischen den Schaltelektroden Lichtbögen ausgebildet werden, die das Elektrodenmaterial schadigen. Mittels der erfindungsgemaßen Verwendung der Vorrichtung konnen die Kosten im Hinblick auf die Wartung reduziert werden.The use of a device according to the invention serves to actuate at least one switch and comprises at least one actuation process, a first and a second holding state. The actuation process involves the movement of the armature with the magnetic unit. During the first holding state, a magnetic holding force is exerted on the armature. In addition, a mechanical force is exerted on the armature, the direction of the magnetic holding force counteracts and is smaller in magnitude than the magnetic holding force. During the second holding state, a mechanical force is exerted on the armature, which counteracts the mechanical force of the first holding state directionally, so that in turn directionally counteracts the magnetic holding force of the second holding state, but magnitude smaller than the magnetic holding force of the second holding state. For the Aktuierungsvorgang a magnetic Aktuierungskraft is applied to the armature in a predetermined time interval, so that the sum of the mechanical force and the magnetic Aktuierungskraft in terms of amount is greater than the magnetic holding force and thus accelerates the anchor. The additional acceleration of the actuator with the additional mechanical energy storage has the advantage of allowing greatly accelerated switching operations. Thus, an electrode erosion of the switching electrodes can be avoided, which resulted, for example, in previous circuit breakers in that at too low switching speed at short distances between the switching electrodes arcs are formed, which damage the electrode material. By means of the use of the device according to the invention, the costs with regard to maintenance can be reduced.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung der Vorrichtung zur Aktuierung wenigstens eines Schalters einen Aktuierungsvorgang, der die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit umfasst, wobei die Bewegung eine Schwingungsgleichung mit Eigenfrequenz ω erfullt. D. h., die Bewegung des Ankers ist mit einer Bewegungsgleichung, insbesondere einer Schwingungsgleichung, beschreibbar. Die Eigenfrequenz ω ist charakteristisch fur das schwingende System. Die Eigenfrequenz ω erfullt insbesondere folgenden Zusammenhang: Die Eigenfrequenz ω ist indirekt proportional zur Maximalamplitude A des Schwingers, wobei die Maximalamplitude A durch die Abmessungen des Gehäuses und die dadurch bedingte Einschrankung der Bewegung des Ankers innerhalb des Gehäuses festgelegt ist. Insbesondere legen die Eigenfrequenz ω und die Maximalamplitude A die Schaltgeschwindigkeit fest. Insbesondere ist die durchschnittliche Geschwindigkeit des Ankers v gleich der Schaltgeschwindigkeit der Schalteinheit.In an exemplary embodiment of the invention, the use of the device for actuating at least one switch comprises an actuation process which comprises the movement of the armature with the magnetic unit, wherein the movement fulfills a vibration equation with natural frequency ω. That is, the movement of the armature can be described using an equation of motion, in particular a vibration equation. The natural frequency ω is characteristic of the oscillating system. The natural frequency ω fulfills in particular the following relationship: The natural frequency ω is indirectly proportional to the maximum amplitude A of the oscillator, wherein the maximum amplitude A is determined by the dimensions of the housing and the consequent limitation of the movement of the armature within the housing. In particular, the natural frequency ω and the maximum amplitude A determine the switching speed. In particular, the average speed of the armature v is equal to the switching speed of the switching unit.

Die Vorrichtung ist beispielsweise so ausgestaltet, dass wahrend eines Aktuierungsvorganges ein schwingungsfahiges System vorliegt, wobei die Ankermasse den Schwinger darstellt, und der mechanische Energiespeicher, der insbesondere eine Feder ist, sowie das magnetische System aus der ersten und magnetischen Einheit, insbesondere einem Elektromagneten und einem Permanentmagneten, den Erreger des mechanischen Schwingungssystems darstellen. Insbesondere kann der mechanische Energiespeicher auch aus mehreren Federn aufgebaut sein. Zweckdienlicherweise ist das schwingungsfähige System aus mechanischem Energiespeicher, magnetischem System und Anker so ausgelegt, dass es eine Eigenfrequenz ω besitzt, die folgende Gleichung erfullt: ω = 2π v / A The device is designed, for example, such that during a Aktuierungsvorganges a vibratory system is present, the armature mass is the oscillator, and the mechanical energy storage, which is in particular a spring, and the magnetic system of the first and magnetic unit, in particular an electromagnet and a Permanent magnet, the exciter of the mechanical vibration system represent. In particular, the mechanical energy storage can also be constructed of several springs. Conveniently, the oscillatory system of mechanical energy storage, magnetic system and armature is designed to have a natural frequency ω satisfying the following equation: ω = 2π v / A

Dabei ist v die durchschnittliche Geschwindigkeit des Ankers, die wiederum proportional ist zur gewunschten Maximalgeschwindigkeit v entsprechend der Formel v = 2 / πvmax. Where v is the average velocity of the anchor, which in turn is proportional to the desired maximum velocity v according to the formula v = 2 / πv max .

A ist die Amplitude der Schwingung, d. h., beispielsweise die maximale Auslenkung des Ankers innerhalb des Gehauses. Die Amplitude A kann also beispielsweise die halbe Entfernung zwischen erster und zweiter Bodenplatte des Gehäuses sein. Die Eigenfrequenz ω kann beispielsweise über die Proportionalitatskonstante k des mechanischen Energiespeichers und über die Masse M des Ankers festgelegt sein, nach folgender Gleichung:

Figure DE102010041728B4_0002
A is the amplitude of the oscillation, ie, for example, the maximum deflection of the armature within the housing. The amplitude A can thus be, for example, half the distance between the first and second bottom plate of the housing. The natural frequency ω can be determined, for example, via the proportionality constant k of the mechanical energy store and via the mass M of the armature, according to the following equation:
Figure DE102010041728B4_0002

Die Proportionalitätskonstante k des mechanischen Energiespeichers ist beispielsweise die Federkonstante der Feder oder des Federsystems des Energiespeichers. Die Masse M ist beispielsweise die Masse des Ankers bzw. der gesamten bewegten Masse, also aller Massen, die in Verbindung mit dem Anker bewegt werden.The proportionality constant k of the mechanical energy accumulator is, for example, the spring constant of the spring or of the spring system of the energy accumulator. The mass M is, for example, the mass of the armature or of the entire moving mass, that is, of all the masses which are moved in conjunction with the armature.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung der Vorrichtung einen Aktuierungsvorgang, in dem der Anker mit der magnetischen Einheit bewegt wird, und die Bewegung eine Schwingungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω erfullt, wobei die Eigenfrequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proportional zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitätskonstanten k ist, sowie zusatzlich gilt dass die halbe Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maximalamplitude A ist, die insbesondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters ist. Uber die Bewegung des Ankers ist die Geschwindigkeit v auch beispielsweise gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters. Ein Vorteil einer derartigen resonanten Auslegung der Vorrichtung zur Aktuierung ist die Reduzierung der benotigten elektrischen Energie, da die magnetische Aktuierungs-Einheit, insbesondere der Elektromagnet, lediglich die Energieverluste aufgrund von Reibung und Wirbelströmen ausgleichen muss. Somit liegt ein Vorteil in der Möglichkeit eine preiswertere und wartungsärmere Ansteuerungselektronik, insbesondere inklusive Kondensator zu verwenden.In a further advantageous embodiment of the invention, the use of the device comprises an actuation process in which the armature is moved with the magnetic unit, and the motion fulfills a vibration equation with the natural frequency ω, wherein the natural frequency ω of the oscillatory system is indirectly proportional to the square root of the mass M is the oscillator and directly proportional to the square root of the proportionality constant k, and in addition is that half the oscillation period of the system, which is inversely proportional to ω, therefore inversely proportional to the average velocity v of the armature and directly proportional to the maximum amplitude A, which is equal to the Switching speed of the switch is. Via the movement of the armature, the speed v is, for example, equal to the switching speed of the switch. An advantage of such a resonant design of the device for the actuation is the reduction of the required electrical energy, since the magnetic actuation unit, in particular the electromagnet, only has to compensate for the energy losses due to friction and eddy currents. Thus, there is an advantage in the ability to use a cheaper and low-maintenance control electronics, in particular including capacitor.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verwendung der Vorrichtung zur Aktuierung wenigstens eines Schalters, wobei der Aktuierungsvorgang die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit, die insbesondere ein Permanentmagnet ist, relativ zur magnetischen Aktuierungs-Einheit, die insbesondere eine Spule ist, umfasst. Des Weiteren kann der Aktuierungsvorgang die Induktion eines elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit und den Ladevorgang eines Kondensators sowie die Speicherung elektrischer Energie umfassen. Insbesondere bewirkt die Bewegung der magnetischen Einheit relativ zur magnetischen Aktuierungs-Einheit die Induktion des elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit. Der induzierte elektrische Strom kann den Kondensator laden, wobei der Kondensator zur Pufferwirkung als elektrischer Energiespeicher dienen kann. Beispielsweise konnen ein Kondensator oder mehrere Kondensatoren elektrische Energie vorhalten, die zur Pufferung der Ankerbewegung dienen kann. Bei der Ankerbewegung muss z. B. eine Dämpfung durch Reibung und/oder Wirbelströme ausgeglichen werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Kondensator oder konnen mehrere Kondensatoren so mit dem mechanischen Energiespeicher gekoppelt werden, dass ein elektromechanisches Schwingungssystem vorliegt. Insbesondere wird der in den Spulen induzierte Strom aus der Bewegung des Ankers gespeichert und im gleichen oder nächsten Bewegungsvorgang dem Anker wieder zur Verfugung gestellt.A further advantageous embodiment of the invention is a use of the device for actuation of at least one switch, wherein the Aktuierungsvorgang the movement of the armature with the magnetic unit, which is in particular a permanent magnet, relative to the magnetic Aktuierungs unit, which is in particular a coil comprises. Furthermore, the actuation process may include the induction of an electric current in the magnetic actuator unit and the charging of a capacitor and the storage include electrical energy. In particular, the movement of the magnetic unit relative to the magnetic actuation unit causes the induction of the electrical current in the magnetic actuation unit. The induced electric current can charge the capacitor, wherein the capacitor can serve as an electrical energy storage for the buffer effect. For example, one or more capacitors may provide electrical energy that may serve to buffer the armature movement. When the anchor movement z. B. an attenuation by friction and / or eddy currents can be compensated. In an advantageous embodiment, a capacitor or several capacitors can be coupled to the mechanical energy storage such that an electromechanical oscillation system is present. In particular, the current induced in the coils from the movement of the armature is stored and made available to the armature in the same or next movement process again.

Beispielsweise umfasst die Verwendung der Vorrichtung die Speicherung mechanischer Energie in dem mechanischen Energiespeicher und die Speicherung elektrischer Energie in den Kondensator, wobei die beiden Speichervorgänge zu einem elektromechanischen Schwingungssystem gekoppelt werden.For example, use of the device includes storing mechanical energy in the mechanical energy store and storing electrical energy into the capacitor, where the two stores are coupled to an electromechanical vibration system.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Aktuierung wenigstens eines Schalters, wobei in einem Haltezustand eine mechanische Kraft auf einen magnetischen aktuierbaren Anker wirkt, die richtungsmäßig einer magnetischen Haltekraft auf den Anker entgegenwirkt und betragsmaßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, und fur einen Aktuierungsvorgang ein Aktuierungsmagnetfeld erzeugt wird, das der magnetischen Haltekraft auf den Anker richtungsmäßig entgegenwirkt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft betragsmäßig großer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt. Die Nutzung einer zusatzlichen mechanischen Kraft hat den Vorteil, dass die benotigte elektrische Energie zur Aktuierung minimiert werden kann. Die Aktuierungskraft muss lediglich Energieverluste, z. B. aufgrund von mechanischer Reibung und/oder Dampfung durch Wirbelstrome, ausgleichen.The method according to the invention serves to actuate at least one switch, wherein in a holding state a mechanical force acts on a magnetizable armature which counteracts directionally a magnetic holding force on the armature and amounts smaller than the magnetic holding force, and an actuation magnetic field is generated for a Aktuierungsvorgang that counteracts the direction of the magnetic holding force on the armature, so that the sum of the mechanical force and the magnetic Aktuierungskraft is greater in magnitude than the magnetic holding force and thus accelerates the anchor. The use of an additional mechanical force has the advantage that the required electrical energy for actuation can be minimized. The Aktuierungskraft only energy losses, z. B. due to mechanical friction and / or damping by eddy currents, compensate.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass in einem ersten Haltezustand die mechanische Kraft auf einen Anker wirkt, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und betragsmaßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass für einen Aktuierungsvorgang die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft betragsmaßig großer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt, während eines Aktuierungsvorgangs die mechanische Kraft auf den Anker einen Nullpunkt durchlauft, um in einem zweiten Haltezustand der mechanischen Kraft in dem ersten Haltezustand richtungsmäßig entgegenzuwirken, so dass die mechanische Kraft in dem zweiten Haltezustand wiederum der magnetischen Haltekraft in dem zweiten Haltezustand richtungsmäßig entgegenwirkt, jedoch betragsmaßig kleiner als die magnetische Haltekraft in dem zweiten Haltezustand ist.In an advantageous embodiment of the invention, the method is characterized in that in a first holding state, the mechanical force acts on an armature, the directionally counteracts the magnetic holding force and magnitude is smaller than the magnetic holding force, so that for a Aktuierungsvorgang the sum of the mechanical force and from the magnetic actuation force is magnitude greater than the magnetic holding force and thus accelerates the anchor, during an actuation process, the mechanical force on the armature passes through zero to counteract directionally in a second state of holding the mechanical force in the first holding state, so that the mechanical force in the second holding state, in turn, counteracts the magnetic holding force in the second holding state, but is smaller in magnitude than the magnetic holding force in the second holding state.

Die mechanische Kraft auf den Anker durchlauft während eines Aktuierungsvorgangs einen Nullpunkt, was durch unterschiedliche Ausfuhrungsformen der Vorrichtung realisiert werden kann: Ein Beispiel fur eine erste Realisierung ist ein einzelner mechanischer Energiespeicher, der durch beide Bewegungsrichtungen des Ankers Energie aufnehmen kann und in beide Richtungen der Ankerbewegung eine Kraft auf den Anker ausüben kann. Beispielsweise umfasst ein derartiger mechanischer Energiespeicher eine Druckfeder, die in der ersten Halteposition bzw. dem ersten Haltezustand, in gestreckter Richtung vorgespannt ist. Während der Ankerbewegung z. B. entspannt sich die Feder und in der zweiten Halteposition bzw. dem zweiten Haltezustand liegt die Feder in gestauchter Form vor. Eine weitere Ausfuhrungsform kann mit zwei mechanischen Energiespeichern versehen sein, die beispielsweise beidseitig des Magnetaktors angebracht sind. Dabei ist für eine erste Halteposition bzw. einen ersten Haltezustand der erste mechanische Energiespeicher geladen und das der zweite Energiespeicher entladen, wobei sich im Laufe eines Aktuierungsvorgangs der erste Energiespeicher entlädt und der zweite Energiespeicher geladen wird. Insbesondere können die Energiespeicher Federn sein, beispielsweise Blattfedern, Tellerfedern, Torsionsfedern, Drehstabfedern, Elastomerfedern, Evolutfedern oder Ringfedern, wobei ein Energiespeicher aus einer Feder oder auch aus mehreren Federn zusammengesetzt sein kann. Lade- und Entladevorgänge des mechanischen Energiespeichers entsprechen also dem Dehnen bzw. Stauchen und Entspannen von Federn. Alternativ ist eine Ausführung des mechanischen Energiespeichers als Gasdruckspeicher möglich. In einer weiteren Ausführungsform kann der zweite mechanische Energiespeicher in Form der Schalteinheit vorliegen. Dabei stellen die Federn an der Schalteinheit, z. B. die Federn in den Vakuumschaltrohren oder die Federn in den Leistungsschaltern, den mechanischen Energiespeicher dar. Die Proportionalitatskonstante des ersten Energiespeichers kann dann vorteilhafterweise auf die Proportionalitatskonstante des zweiten mechanischen Energiespeichers, der in Form der Schalteinheit vorliegt, angepasst werden.The mechanical force on the armature passes through a zero point during an actuation process, which can be realized by different embodiments of the device: An example of a first implementation is a single mechanical energy storage, which can absorb energy through both directions of movement of the armature and in both directions of the armature movement can exert a force on the anchor. By way of example, such a mechanical energy store comprises a compression spring, which is prestressed in the extended position in the first holding position or the first holding state. During the anchor movement z. B. relaxes the spring and in the second holding position or the second holding state, the spring is in an upset form. A further embodiment may be provided with two mechanical energy stores, which are mounted for example on both sides of the magnetic actuator. In this case, the first mechanical energy store is charged for a first holding position or a first holding state, and the second energy store is discharged, during which the first energy store discharges during an actuation process and the second energy store is charged. In particular, the energy storage can be springs, such as leaf springs, disc springs, torsion springs, torsion bars, elastomer springs, Evolutfedern or ring springs, wherein an energy storage can be composed of a spring or of several springs. Charging and discharging the mechanical energy storage thus correspond to the stretching or compression and expansion of springs. Alternatively, an embodiment of the mechanical energy storage as a gas pressure accumulator is possible. In a further embodiment, the second mechanical energy store may be in the form of the switching unit. The springs on the switching unit, z. The proportionality constant of the first energy storage can then be advantageously adapted to the Proportionalitatskonstante the second mechanical energy storage, which is in the form of the switching unit.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren, wobei der Aktuierungsvorgang eine Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit umfasst, die eine Schwingungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω erfüllt. Dabei ist die Eigenfrequenz ω des schwingungsfahigen Systems indirekt proportional zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitatskonstanten k ist, sowie zusätzlich gilt dass die halbe Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maximalamplitude A ist, die insbesondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters ist.A further advantageous embodiment of the invention is a method, wherein the Aktuierungsvorgang movement of the armature with the magnetic unit that satisfies a vibration equation with the natural frequency ω. In this case, the natural frequency ω of the oscillatory system is indirectly proportional to the square root of the mass M of the oscillator and directly proportional to the square root of the proportionality constant k, and in addition, that half the oscillation period of the system, which is inversely proportional to ω, inversely proportional to the average velocity v of the armature and is directly proportional to the maximum amplitude A, which is in particular equal to the switching speed of the switch.

Vorteilhafterweise erfullt die Eigenfrequenz ω folgende Gleichung:

Figure DE102010041728B4_0003
woruber eine gewünschte durchschnittliche Schaltgeschwindigkeit v eingestellt werden kann. Insbesondere ist die Schaltgeschwindigkeit bzw. die Aktuierungsgeschwindigkeit abhangig von der Masse M des Ankers und von der Proportionalitätskonstante k des mechanischen Energiespeichers. Die Maximalamplitude A ist über die Gehauseabmessungen einstellbar. Dabei kann das Gehäuse zweckdienlicherweise mehrteilig ausgefuhrt sein, wobei zumindest eine Gehäusewand, eine erste Bodenplatte und eine zweite Bodenplatte umfasst sind. Zweckdienlicherweise ist das Gehause als weichmagnetisches Joch ausgeführt. Beispielsweise sind in der Gehausewand eine erste und eine zweite magnetische Einheit enthalten, insbesondere Aktuierungsspulen. Die magnetischen Einheiten können insbesondere aus Kupferdraht sein. Beispielsweise kann die Gehausewand ein Zylinder sein. Die Anordnung des Ankers im Gehäuse kann beispielsweise so erfolgen, dass er in der ersten Halteposition in Kontakt mit der ersten Bodenplatte des Gehäuses liegt und in der zweiten Halteposition in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte des Gehauses liegt. Zweckdienlicherweise sind die Form des Gehauses und des Ankers aufeinander abgestimmt. Beispielsweise ist auch der Anker zylinderförmig ausgeführt. Beispielsweise ist die magnetische Einheit auf dem Anker ein Permanentmagnet. Dieser kann auch wiederum zylinderförmig ausgeführt sein. Alternativ können auch zwei Permanentmagnete auf die Stirnflächen des Ankers aufgebracht werden. Alternativ können die Permanentmagnete beispielsweise auch am äußeren Gehäuse angebracht werden. Beispielsweise können sie an den Bodenplatten angebracht werden. Auch können sie z. B. radial am äußeren Gehäuse angebracht werden, dem Anker gegenubergesetzt. Vorteilhafterweise werden im Gehäuse zwei magnetische Einheiten, insbesondere zwei Aktuierungsspulen verwendet. Fur eine Ausführungsform mit nur einer magnetischen Einheit im Gehäuse ist eine asymmetrische Ausfuhrung des Gehäuses und/oder des Ankers vorteilhaft.Advantageously, the natural frequency ω satisfies the following equation:
Figure DE102010041728B4_0003
whereupon a desired average switching speed v can be set. In particular, the switching speed or the actuation speed is dependent on the mass M of the armature and on the proportionality constant k of the mechanical energy store. The maximum amplitude A can be set via the housing dimensions. In this case, the housing may expediently be executed in several parts, wherein at least one housing wall, a first bottom plate and a second bottom plate are included. Conveniently, the housing is designed as a soft magnetic yoke. For example, in the Gehausewand a first and a second magnetic unit included, in particular Aktuierungsspulen. The magnetic units may in particular be made of copper wire. For example, the Gehausewand be a cylinder. The arrangement of the armature in the housing can for example be such that it is in the first holding position in contact with the first bottom plate of the housing and in the second holding position in contact with the second bottom plate of the housing. Conveniently, the shape of the housing and the armature are coordinated. For example, the anchor is cylindrical. For example, the magnetic unit on the armature is a permanent magnet. This can also be designed in turn cylindrical. Alternatively, two permanent magnets can be applied to the end faces of the armature. Alternatively, the permanent magnets can for example also be attached to the outer housing. For example, they can be attached to the floorboards. Also, they can z. B. are mounted radially on the outer housing, the anchor gegenübergesetzt. Advantageously, two magnetic units, in particular two Aktuierungsspulen be used in the housing. For an embodiment with only one magnetic unit in the housing an asymmetric execution of the housing and / or the armature is advantageous.

Der bistabile Magnetaktor besteht aus einem Anker und mindestens einer auf dem Anker aufgebrachten magnetischen Einheit. Die magnetische Einheit kann beispielsweise ein Permanentmagnet sein. Alternativ konnen auf dem Anker mehrere Permanentmagnete aufgebracht sein. Des Weiteren umfasst der bistabile Magnetaktor ein Gehäuse, das den Anker umgibt. Zweckdienlicherweise ist das Gehäuse als weichmagnetisches Joch ausgestaltet, was den magnetischen Kreis schließt. Insbesondere umfasst das Gehause mindestens eine magnetische Einheit, die zur Aktuierung des Ankers dient. Diese magnetische Einheit ist beispielsweise eine Aktuierungsspule. Alternativ können auch mehrere Aktuierungsspulen in dem Gehause umfasst sein. Zweckdienlicherweise sind zwei Aktuierungsspulen für die zwei Haltepositionen des Ankers im Gehause umfasst. Beispielsweise sind die Spulen aus Kupferdraht. Der Anker wird entlang einer Achse im Gehäuse bewegt. Die Permanentmagnete auf dem Anker konnen radial an dem Anker angebracht sein oder alternativ an den Stirnflachen des Ankers. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete muss auf deren Anbringung angepasst sein. Beispielsweise werden auf die Stirnflachen des Ankers axialmagnetisierte Permanentmagnete aufgebracht. Die Stirnflachen des Ankers sind die Flachen, die in den Haltepositionen an den Bodenplatten anliegen. Der Anker kann beispielsweise quaderförmig ausgestaltet sein. Der Anker kann hohl sein. Der Anker kann beispielsweise zylinderformig ausgefuhrt sein. Vorteilhafterweise ist die Ankerform der Gehauseform angepasst. In einer beispielhaften Ausführungsform wird nur eine magnetische Einheit zur Aktuierung, d. h. beispielsweise eine Aktuierungsspule, verwendet, wobei dann die Jochteile des Gehäuses asymmetrisch auszufuhren sind, um den Magnetkreis an die geänderten Haftungskräfte anzupassen.The bistable magnetic actuator consists of an armature and at least one magnetic unit applied to the armature. The magnetic unit may for example be a permanent magnet. Alternatively, several permanent magnets can be applied to the armature. Furthermore, the bistable magnetic actuator includes a housing surrounding the armature. Conveniently, the housing is designed as a soft magnetic yoke, which closes the magnetic circuit. In particular, the housing comprises at least one magnetic unit which serves to actuate the armature. This magnetic unit is, for example, an actuation coil. Alternatively, several Aktuierungsspulen may be included in the housing. Conveniently, two actuation coils are included for the two holding positions of the armature in the housing. For example, the coils are made of copper wire. The anchor is moved along an axis in the housing. The permanent magnets on the armature may be radially attached to the armature or, alternatively, on the end faces of the armature. The magnetization direction of the permanent magnets must be adapted to their attachment. For example, axially magnetized permanent magnets are applied to the end faces of the armature. The end faces of the anchor are the surfaces that rest against the bottom plates in the holding positions. The anchor may be configured, for example cuboid. The anchor can be hollow. The anchor can be executed zylinderformig, for example. Advantageously, the anchor shape of the Gehauseform adapted. In an exemplary embodiment, only one magnetic unit for actuation, i. H. For example, an actuation coil, used, in which case the yoke parts of the housing are asymmetric auszufuhren to adapt the magnetic circuit to the changed adhesion forces.

Der mechanische Energiespeicher ist vorzugsweise so auszufuhren, dass in einer Halteposition des Ankers die mechanische Kraft nicht die magnetische Haltekraft übersteigt.The mechanical energy store is preferably so auszufuhren that in a holding position of the armature, the mechanical force does not exceed the magnetic holding force.

Vorteilhafterweise sind die zur Aktuierung verwendeten magnetischen Einheiten Aktuierungsspulen. Fur die Auslösung eines Schaltvorgangs werden die Aktuierungsspulen während eines definierten Zeitintervalls mit Strom beaufschlagt. Dieses Zeitintervall beträgt vorzugsweise einige Millisekunden. Das Zeitintervall kann beispielsweise auf maximal 30 ms beschrankt sein. Durch den Strom in den Spulen wird ein Magnetfeld erzeugt. Die Richtung des Magnetfelds ist von der Stromrichtung abhangig. Somit kann beispielsweise mittels einer Spule die Ablösung des Ankers von der Bodenplatte bewirkt werden. Insbesondere wirkt durch das erzeugte Magnetfeld eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker. Diese addiert sich z. B. zu der mechanischen Kraft des mechanischen Energiespeichers. Dieser mechanische Energiespeicher ist beispielsweise eine Feder, die im anfanglichen Haltezustand gespannt vorliegt. Die gespeicherte potentielle Energie kann dann in kinetische Energie des Ankers und in kinetische Energie der beweglichen Teile der Schalteinheit uberfuhrt werden. Nach der Ablösung des Ankers von der Bodenplatte nehmen die Magnetkrafte auf den Anker stark, nicht linear ab. So wird beispielsweise nach der anfänglichen Uberwindung der magnetischen Haltekraft der Anker stark beschleunigt.Advantageously, the magnetic units used for the actuation are actuation coils. For the triggering of a switching operation, the Aktuierungsspulen be applied during a defined time interval with power. This time interval is preferably a few milliseconds. The time interval can be limited, for example, to a maximum of 30 ms. The current in the coils creates a magnetic field. The direction of the magnetic field depends on the current direction. Thus, for example, by means of a coil, the detachment of the armature from the bottom plate can be effected. In particular, acts by the generated magnetic field magnetic actuation force on the armature. This adds up z. B. to the mechanical force of the mechanical energy storage. This mechanical energy storage device is, for example, a spring, which is tensioned in the initial holding state. The stored potential energy can then be converted into kinetic energy of the armature and into kinetic energy of the moving parts of the switching unit. After the detachment of the armature from the bottom plate, the magnetic forces on the armature decrease strongly, not linearly. Thus, for example, after the initial overcoming of the magnetic holding force, the armature is greatly accelerated.

Vorteilhafterweise konnen mechanische Reibungsverluste und/oder eine Dämpfung durch Wirbelstrome ausgeglichen werden, indem eine magnetische Einheit in dem Gehäuse, insbesondere eine zweite Aktuierungsspule, so mit Strom beaufschlagt wird, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld die Haltekraft der magnetischen Einheit am Anker unterstützt und so den Anker bei Annäherung an die gegenuber liegende Bodenplatte des Gehäuses in seiner Bewegung noch beschleunigt.Advantageously, mechanical friction losses and / or damping by eddy currents can be compensated for by energizing a magnetic unit in the housing, in particular a second actuation coil, in such a way that the magnetic field generated thereby assists the retention force of the magnetic unit at the armature and thus the armature when approaching the opposite base plate of the housing in its movement even faster.

Die Bewegung des Ankers wird beispielsweise durch die Kraft eines zweiten mechanischen Energiespeichers abgebremst. Dieser kann wiederum eine Feder enthalten oder sein. Alternativ liegt der zweite mechanische Energiespeicher in Form der Schalteinheit vor, wobei die Federn an den Schaltrohren den mechanischen Energiespeicher bilden. Durch den Abbremsvorgang kann die kinetische Energie wieder in potentielle Energie umgesetzt werden. Das Einrasten des Ankers in der zweiten Halteposition kann wiederum aufgrund magnetischer Haltekrafte passieren. Die Stirnfläche des Ankers ist dann in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte des Gehäuses. In dem mechanischen Energiespeicher ist wieder ein Ausgangspunkt erreicht, indem mechanische Energie vorgehalten wird.The movement of the armature is slowed down, for example, by the force of a second mechanical energy store. This in turn may contain or be a spring. Alternatively, the second mechanical energy store is in the form of the switching unit, the springs forming the mechanical energy store on the switching tubes. By the deceleration process, the kinetic energy can be converted back into potential energy. The engagement of the armature in the second holding position can in turn happen due to magnetic holding forces. The end face of the anchor is then in contact with the second bottom plate of the housing. In the mechanical energy storage again a starting point is reached by mechanical energy is kept.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 4 der angehängten Zeichnung beschrieben:Embodiments of the present invention will be described by way of example with reference to FIGS 1 to 4 the attached drawing:

1 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung mit dem Magnetaktor und einem mechanischen Energiespeicher. 1 shows a cross section of an exemplary embodiment of the device with the magnetic actuator and a mechanical energy storage.

2 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der Vorrichtung mit dem Anker in einer ersten Halteposition. 2 shows a cross section of an embodiment of the device with the armature in a first holding position.

3 zeigt einen Querschnitt der Ausfuhrungsform der Erfindung wie in 2 mit dem Anker während des Aktuierungsvorgangs. three shows a cross section of the embodiment of the invention as in 2 with the anchor during the actuation process.

4 zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform der Erfindung wie in 2 mit dem Anker in der zweiten Halteposition. 4 shows a cross section of the embodiment of the invention as in 2 with the anchor in the second stop position.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der magneto-mechanische Aktor einen mechanischen Energiespeicher 20 mit einer Feder 26, eine elektromagnetische Einheit 18a/b in Form einer Spule und einen Permanentmagneten 16. Der mechanische Energiespeicher 20 übt in der ersten Halteposition eine mechanische Feder-Kraft Fmec auf den Anker 17 aus, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft FmH entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft FmH ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der Feder-Kraft Fmec und aus einer elektromagnetischen Aktuierungskraft FmA die magnetische Haltekraft FmH des Permanentmagneten 16 überwunden wird, in einer Position des Ankers 17 wahrend eines Aktuierungsvorgangs keine Kraft auf den Anker 17 ausgeubt wird, und in einer zweiten Halteposition eine Feder-Kraft Fmec,2 auf den Anker 17 ausgeübt wird, die der Feder-Kraft Fmec in der ersten Halteposition richtungsmaßig entgegengesetzt ist, so dass diese wiederum der magnetischen Haltekraft FmH,2 in der zweiten Halteposition entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft Fmec,2 in der zweiten Halteposition ist. Kraftbetrag und -richtung der elektromagnetischen Einheit 18a/b sind insbesondere uber die Bestromung, d. h. Stromrichtung und Stromstärke, der Spule variierbar.In an exemplary embodiment of the invention, the magneto-mechanical actuator comprises a mechanical energy store 20 with a spring 26 , an electromagnetic unit 18a / b in the form of a coil and a permanent magnet 16 , The mechanical energy storage 20 exerts a mechanical spring force F mec on the armature in the first stop position 17 in the direction counteracts the magnetic holding force F mH and is smaller in magnitude than the magnetic holding force F mH , so that in the case of Aktuierungsvorgangs the sum of the spring force F mec and an electromagnetic Aktuierungskraft F mA, the magnetic holding force F mH of the permanent magnet 16 is overcome, in a position of the anchor 17 during an actuation process, no force on the anchor 17 is exerted, and in a second holding position, a spring force F mec, 2 on the anchor 17 is applied, the direction of the spring force F mec in the first holding position is opposite, so that in turn counteracts the magnetic holding force F mH, 2 in the second holding position, but smaller in magnitude than the magnetic holding force F mec, 2 in the second holding position is. Power amount and direction of the electromagnetic unit 18a / b are in particular on the energization, ie current direction and current, the coil variable.

Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabgetreuen Abbildungen dar. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel einer Ausfuhrungsform der Vorrichtung sind ein Magnetaktor 10 und ein mechanischer Energiespeicher 20 gezeigt. Der mechanische Energiespeicher 20 ist seitlich an den Magnetaktor 10 angebracht. Der Magnetaktor ist symmetrisch ausgefuhrt und umfasst ein Gehause, welches aus einer zylinderformigen Gehäusewand 12, einer ersten Bodenplatte 11a und einer zweiten Bodenplatte 11b aufgebaut ist. Das Gehäuse ist aus einem weichmagnetischen Material. Die Bodenplatten 11a/b stellen somit die Seitenwände des Gehäuses 12 dar. Die Bodenplatten 11a/b weisen Fuhrungsdurchlasse fur den Stab 14 auf. Der Anker (17) ist innerhalb des Gehauses (11a/b, 12) mittels des Stabs (14) führbar. Der Stab 14, an dem der Anker 17 angebracht ist, verlauft auf der Rotationsachse des Gehäuses. Der Anker 17 wiederum ist zylindrisch ausgefuhrt. Radial um den Anker 17 herum ist ein wiederum zylinderformiger Permanentmagnet 16 angebracht. Der Permanentmagnet 16 ist radial magnetisiert. In der Gehäusewand 12 sind zwei Aktuierungsspulen 18a/b eingeschlossen. Diese sind so angebracht, dass der Anker 17 in einer Halteposition mit der an der ersten Bodenplatte 11a anliegenden Stirnseite innerhalb der Aktuierungsspule 18a liegt. Der Stab 14, der mit dem Anker 17 verbunden ist, wird durch die Führungsdurchlasse in den Bodenplatten 11a/b des Gehäuses 12 aus dem Gehause 12 herausgeführt. Auf der einen Seite des Gehauses 12 kann an dem Stab 14 die Schalteinheit angebracht werden, z. B. uber eine geeignete Kraftübertragungseinrichtung, wie z. B. einen Hebel. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt der Stab 14 aus dem Gehause 12 aus und tritt in den mechanischen Energiespeicher 20 ein. In dem mechanischen Energiespeicher ist der Stab 14 mit der Druckfeder 26 verbunden. Der mechanische Energiespeicher 20 weist weiter einen Teller 24 auf, der fest mit dem Stab 14 verbunden ist. Der Teller 24 schlagt nach der Aktuierungsbewegung an einer Anschlagscheibe 25 an. Die Druckfeder 26 ist der mechanische Energiespeicher 20. Die Druckfeder 26 ist in gespanntem Zustand, d. h. in einer ersten Halteposition, gezeigt.The figures are schematic and do not represent true to scale figures 1 shown example of an embodiment of the device are a magnetic actuator 10 and a mechanical energy storage 20 shown. The mechanical energy storage 20 is on the side of the magnetic actuator 10 appropriate. The magnetic actuator is symmetrical and comprises a housing, which consists of a zylinderformigen housing wall 12 , a first floor slab 11a and a second floor panel 11b is constructed. The housing is made of a soft magnetic material. The floor plates 11a / b thus represent the side walls of the housing 12 dar. The bottom plates 11a / b show leadership passage for the staff 14 on. The anchor ( 17 ) is inside the housing ( 11a / B 12 ) by means of the rod ( 14 ) feasible. The rod 14 at which the anchor 17 is mounted, runs on the axis of rotation of the housing. The anchor 17 again is cylindrical. Radial around the anchor 17 around is a turn cylindrical permanent magnet 16 appropriate. The permanent magnet 16 is radially magnetized. In the housing wall 12 are two actuation coils 18a / b included. These are so attached that the anchor 17 in a holding position with that on the first floor panel 11a adjacent end face within the Aktuierungsspule 18a lies. The rod 14 that with the anchor 17 is connected through the guide passage in the bottom plates 11a / b of the housing 12 out of the house 12 led out. On one side of the housing 12 can at the bar 14 the switching unit are attached, z. B. via a suitable power transmission device such. B. a lever. On the opposite side of the bar occurs 14 out of the house 12 and enters the mechanical energy storage 20 one. In the mechanical energy storage is the rod 14 with the compression spring 26 connected. The mechanical energy storage 20 keeps pointing a plate 24 up, stuck with the rod 14 connected is. The dish 24 hits after the Aktuierungsbewegung on a stop disk 25 at. The compression spring 26 is the mechanical energy storage 20 , The compression spring 26 is shown in a tensioned state, ie in a first stop position.

Vorzugsweise wird der Anker 17 zylindrisch ausgeführt und darauf radial magnetisierte Permanentmagnete 16 aufgebracht. Vorzugsweise ist auch das den Anker 17 umgebende Gehause zylindrisch ausgeführt. Das Gehause weist vorzugsweise zwei Bodenplatten 11a/b aus einem weichmagnetischen Material auf, die fur den Schluss des magnetischen Kreises sorgen, solange der Anker 17 sich in Kontakt mit den Bodenplatten 11a/b befindet. Der Anker 17 befindet sich in Kontakt mit einer der Bodenplatten 11a/b, solange die auf den Anker 17 wirkenden Kräfte ihn in dieser Position halten.Preferably, the anchor becomes 17 cylindrical and radially magnetized permanent magnets 16 applied. Preferably, this is also the anchor 17 surrounding housing cylindrical. The housing preferably has two bottom plates 11a / b made of a soft magnetic material, which ensure the end of the magnetic circuit, as long as the anchor 17 in contact with the floor plates 11a / b is located. The anchor 17 is in contact with one of the bottom plates 11a / b, as long as the anchor 17 acting forces keep him in that position.

2 zeigt den Magnetaktor 10 mit dem Anker 17 in einer ersten Halteposition in vereinfachter Darstellung. Der Anker 17 ist in Kontakt mit der ersten Bodenplatte 11a. Die magnetische Haltekraft des Permanentmagneten 16 auf den Anker 17 wirkt in Richtung der Bodenplatte 11a. Der Anker 17 hat eine Masse M. Die mechanische Kraft Fmec des mechanischen Energiespeichers wirkt entgegen der magnetischen Haltekraft FmH, ist jedoch betragsmaßig geringer als die magnetische Haltekraft FmH und kann deshalb in der Halteposition den Anker 17 nicht von der Bodenplatte 11a ablösen. Zum Ablösen des Ankers 17 von der Bodenplatte 11a ist eine zusatzliche Kraft notwendig. 2 shows the magnetic actuator 10 with the anchor 17 in a first stop position in a simplified representation. The anchor 17 is in contact with the first floor plate 11a , The magnetic holding force of the permanent magnet 16 on the anchor 17 acts in the direction of the bottom plate 11a , The anchor 17 has a mass M. The mechanical force F mec of the mechanical energy storage counteracts the magnetic holding force F mH , but is in terms of absolute value less than the magnetic holding force F mH and therefore can in the holding position the armature 17 not from the bottom plate 11a peel off. To detach the anchor 17 from the bottom plate 11a an additional force is necessary.

Die Bestromung der Aktuierungsspule 18a bewirkt ein magnetisches Feld, worüber auf den Anker 17 eine zusätzliche magnetische Aktuierungskraft FmA ausgeubt wird. Diese kann betragsmäßig sehr viel geringer als die mechanische Kraft Fmec sein, da nur die Netto-Haltekraft FmH–Fmec uberwunden werden muss. Die magnetische Aktuierungskraft FmA ist auch zeitlich auf das Ablösen des Ankers 17 von der Bodenplatte 11a beschränkt. Ist die initiale Ablösung erfolgt, fallt die magnetische Haltekraft FmH durch den Permanentmagneten 16 rasch ab und der Anker 17 wird in die zweite Halteposition beschleunigt, d. h., auf die zweite Bodenplatte 11b zubewegt. Die Beschleunigung erfolgt dabei im Wesentlichen durch die mechanische Kraft Fmec. Der Anker 17 überwindet innerhalb des Gehäuses 12 eine Strecke von zwei Maximalamplituden 2A. Die Bewegung des Ankers 17 ist als Schwingung beschreibbar. Die Schwingungsamplitude ist dann die Strecke A, d. h. die Halfte der Innenabmessung des Gehäuses 12.The energization of the Aktuierungsspule 18a causes a magnetic field, what about the anchor 17 an additional magnetic actuation force F mA is exercised. In terms of amount, this can be much less than the mechanical force F mec , since only the net holding force F mH -F mec has to be overcome. The magnetic actuation force F mA is also timed to the detachment of the armature 17 from the bottom plate 11a limited. Once the initial detachment has taken place, the magnetic holding force F mH drops through the permanent magnet 16 quickly and the anchor 17 is accelerated to the second holding position, that is, to the second bottom plate 11b moved. The acceleration takes place essentially by the mechanical force F mec . The anchor 17 overcomes within the housing 12 a distance of two maximum amplitudes 2A , The movement of the anchor 17 is writable as a vibration. The oscillation amplitude is then the distance A, ie half the inner dimension of the housing 12 ,

In 3 ist der Magnetaktor 10 gezeigt, in dem sich der Anker 17 in Bewegung, d. h. in einem Aktuierungsvorgang, befindet. Der Anker 17, mit Masse M, wird mit einer veränderlichen Geschwindigkeit v von einer ersten Halteposition, wo er in Kontakt mit der ersten Bodenplatte 11a ist, in eine zweite Halteposition bewegt, in der er in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte 11b ist. Die Masse M des Ankers und die Amplitude A, die durch die Gehäuseinnenmaße festgelegt ist, legen die Eigenfrequenz ω des Schwingungssystems mit dem Anker 17 als Schwinger fest. Darüber ist auch die Geschwindigkeit des Bewegungsvorgangs des Ankers festlegbar. Während eines Aktuierungsvorgangs durchläuft die mechanischen Kraft Fmec auf den Anker 17 einen Nullpunkt um in einem zweiten Haltezustand der mechanischen Kraft Fmec in dem ersten Haltezustand richtungsmäßig entgegen zu wirken, so dass die zweite mechanische Kraft Fmec,2 in dem zweiten Haltezustand wiederum der zweiten magnetischen Haltekraft FmH,2 in dem zweiten Haltezustand richtungsmäßig entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die zweite magnetische Haltekraft FmH,2 in dem zweiten Haltezustand ist.In three is the magnetic actuator 10 shown in which the anchor 17 in motion, ie in an actuation process. The anchor 17 , with mass M, is at a variable speed v from a first stopping position, where he is in contact with the first floor slab 11a is moved to a second holding position in which it is in contact with the second bottom plate 11b is. The mass M of the armature and the amplitude A, which is determined by the housing internal dimensions, set the natural frequency ω of the vibration system with the armature 17 as a vibrator. In addition, the speed of the movement process of the armature can be fixed. During an actuation process, the mechanical force F mec passes through the armature 17 a zero point to counteract directionally in a second holding state of the mechanical force F mec in the first holding state, so that the second mechanical force F mec, 2 again counteracts directionally in the second holding state of the second magnetic holding force F mH, 2 in the second holding state in the second holding state , but smaller in magnitude than the second magnetic holding force F mH, 2 in the second holding state.

4 zeigt den Magnetaktor 10 mit einem Anker 17 in einer zweiten Halteposition, wo der Anker 17 in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte 11b ist. In dieser Halteposition wirkt wiederum eine magnetische Haltekraft FmH,2 des Permanentmagneten 16 auf den Anker 17 in Richtung der zweiten Bodenplatte 11b. Die mechanische Kraft Fmec,2 ist entgegengesetzt zu der magnetischen Haltekraft FmH,2, jedoch betragsmäßig geringer, so dass der Anker 17 in der Halteposition verbleibt. Die mechanische Kraft Fmec,2 in der zweiten Halteposition kann von dem mechanischen Energiespeicher 20 herrühren. Alternativ kann ein zweiter mechanischer Energiespeicher die mechanische Kraft in der zweiten Halteposition ausüben, beispielsweise Federn im Leistungstrennschalter. Fur den rückwärtigen Aktuierungsvorgang von der zweiten in die erste Halteposition wird wiederum fur ein kurzes Zeitintervall ein Aktuierungsmagnetfeld erzeugt. Das Aktuierungsmagnetfeld wird durch die Spule 18b erzeugt. 4 shows the magnetic actuator 10 with an anchor 17 in a second stop position, where the anchor 17 in contact with the second bottom plate 11b is. In this holding position in turn acts a magnetic holding force F mH, 2 of the permanent magnet 16 on the anchor 17 in the direction of the second floor plate 11b , The mechanical force F mec, 2 is opposite to the magnetic holding force F mH, 2 , but less in magnitude, so that the armature 17 remains in the holding position. The mechanical force F mec, 2 in the second holding position can from the mechanical energy storage 20 originate. Alternatively, a second mechanical energy storage exercise the mechanical force in the second holding position, such as springs in the circuit breaker. For the rearward actuation process from the second to the first hold position, an actuation magnetic field is again generated for a short time interval. The actuation magnetic field passes through the coil 18b generated.

Claims (14)

Magneto-mechanischer Aktor für eine Schalteinheit mit – einem Magnetaktor (10), der einen Anker (17) aufweist, wobei der Anker (17) wenigstens eine magnetische Einheit (16) umfasst und mittels derer magnetisch aktuierbar ist, und wenigstens – einem mechanischen Energiespeicher (20), wobei der Anker (17) so mit dem mechanischen Energiespeicher (20) verbunden ist, dass mit dem mechanischen Energiespeicher (20) eine mechanische Kraft (Fmec) auf den Anker (17) ausübbar ist, sowie mit – einem Kondensator und einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist, den Kondensator mit dem elektrischen Strom, der durch die Bewegung des Ankers (17) und der mit dem Anker (17) verbundenen magnetischen Einheit (16) in einer magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) induziert wird, zu laden.Magneto-mechanical actuator for a switching unit with - a magnetic actuator ( 10 ), an anchor ( 17 ), wherein the armature ( 17 ) at least one magnetic unit ( 16 ) and by means of which is magnetically actuated, and at least - a mechanical energy storage ( 20 ), the anchor ( 17 ) so with the mechanical energy storage ( 20 ), that with the mechanical energy storage ( 20 ) a mechanical force (F mec ) on the armature ( 17 ), and with - a capacitor and a control device, wherein the control device is designed, the capacitor with the electric current generated by the movement of the armature ( 17 ) and the one with the anchor ( 17 ) connected magnetic unit ( 16 ) in a magnetic actuation unit ( 18a / b) is induced to charge. Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 1, wobei die magnetische Einheit (16) ausgestaltet ist, in einer ersten Halteposition eine magnetische Haltekraft (FmH) auf den Anker (17) auszuüben und der mechanische Energiespeicher (20) ausgestaltet ist, auf den Anker (17) in der ersten Halteposition eine mechanische Kraft (Fmec) auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft (FmH) entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH) ist.Magneto-mechanical actuator according to claim 1, wherein the magnetic unit ( 16 ) is configured, in a first holding position, a magnetic holding force (F mH ) on the armature ( 17 ) and the mechanical energy storage ( 20 ) on the anchor ( 17 ) in the first holding position to exert a mechanical force (F mec ) that is opposite in directional sense to the magnetic holding force (F mH ) and is smaller in magnitude than the magnetic holding force (F mH ). Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetische Einheit (16) ein Permanentmagnet ist.Magneto-mechanical actuator according to claim 1 or 2, wherein the magnetic unit ( 16 ) is a permanent magnet. Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der mechanischen Kraft (Fmec) des Energiespeichers (20) und aus einer magnetischen Aktuierungskraft (FmA) der magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft (FmH) der magnetischen Einheit (16).Magneto-mechanical actuator according to one of the preceding claims, wherein in the case of a Aktuierungsvorgangs the sum of the mechanical force (F mec ) of the energy storage ( 20 ) and a magnetic actuation force (F mA ) of the magnetic actuation unit ( 18a / b) amount is greater than the magnetic holding force (F mH ) of the magnetic unit ( 16 ). Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, zumindest nach Anspruch 2, wobei die magnetische Einheit (16) ausgestaltet ist, in einer zweiten Halteposition eine magnetische Haltekraft (FmH,2) auf den Anker (17) auszuüben und der Energiespeicher (20) ausgestaltet ist, auf den Anker (17) in der zweiten Halteposition eine mechanische Kraft (Fmec,2) auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft (FmH,2) entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH,2) ist.Magneto-mechanical actuator according to one of the preceding claims, at least according to claim 2, wherein the magnetic unit ( 16 ) is configured, in a second holding position, a magnetic holding force (F mH, 2 ) on the armature ( 17 ) and the energy storage ( 20 ) on the anchor ( 17 ) in the second holding position to exert a mechanical force (F mec, 2 ), the direction of the magnetic holding force (F mH, 2 ) is opposite and in amount smaller than the magnetic holding force (F mH, 2 ). Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 5, wobei ein zweiter mechanischer Energiespeicher umfasst ist, der ausgestaltet ist, auf den Anker (17) in der zweiten Halteposition eine mechanische Kraft (Fmec,2) auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft (FmH,2) entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH,2) ist.Magneto-mechanical actuator according to claim 5, wherein a second mechanical energy store is included, which is designed on the armature ( 17 ) in the second holding position to exert a mechanical force (F mec, 2 ), the direction of the magnetic holding force (F mH, 2 ) is opposite and in amount smaller than the magnetic holding force (F mH, 2 ). Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist, den Kondensator zu entladen und den elektrischen Strom zurückzuspeisen.Magneto-mechanical actuator according to claim 6, wherein the control device is designed to discharge the capacitor and to feed back the electric current. Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung des zu aktuierenden Schalters.Magneto-mechanical actuator according to one of the preceding claims with an actuating device for manual opening of the switch to be actuated. Schaltanordnung mit einem magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche und mit einer Schalteinheit, die insbesondere mehrere Leistungsschalter umfasst, wobei die Schalteinheit mit dem Anker (17) verbunden ist und insbesondere ein zweiter mechanischer Energiespeicher ist.Switching arrangement with a magneto-mechanical actuator according to one of the preceding claims and with a switching unit, which in particular comprises a plurality of power switches, wherein the switching unit with the armature ( 17 ) is connected and in particular a second mechanical energy storage. Verfahren zum Betrieb eines magneto-mechanischen Aktors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Aktuierungsvorgang die Bewegung des Ankers (17) mit der magnetischen Einheit (16) relativ zur magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) sowie die Induktion eines elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) und den Ladevorgang des Kondensators sowie die Speicherung elektrischer Energie umfasst, wobei die Bewegung der magnetischen Einheit (16) relativ zur magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) die Induktion des elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) bewirkt, und der induzierte elektrische Strom den Kondensator lädt.A method of operating a magneto-mechanical actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein the actuation process comprises the movement of the armature (10). 17 ) with the magnetic unit ( 16 ) relative to the magnetic actuation unit ( 18a / b) and the induction of an electric current in the magnetic actuation unit ( 18a / b) and the charging of the capacitor and the storage of electrical energy, wherein the movement of the magnetic unit ( 16 ) relative to the magnetic actuation unit ( 18a / b) the induction of the electric current in the magnetic actuation unit ( 18a / b), and the induced electric current charges the capacitor. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die magnetische Einheit (16) ein Permanentmagnet ist.Method according to the preceding claim, in which the magnetic unit ( 16 ) is a permanent magnet. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die magnetische Aktuierungs-Einheit (18a/b) eine Spule ist.Method according to one of the two preceding claims, in which the magnetic actuation unit ( 18a / b) is a coil. Verfahren zum Betrieb eines magneto-mechanischen Aktors nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die im Kondenstor gespeicherte elektrische Energie zur Pufferung der Ankerbewegung zurückgespeist wird.Method for operating a magneto-mechanical actuator according to one of the three preceding claims, wherein the stored electrical energy in the Kondenstor is fed back to buffer the armature movement. Verfahren zur Aktuierung wenigstens eines Ankers in einem magneto-mechanischen Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aus einem Haltezustand heraus, wobei im Haltezustand eine mechanische Kraft (Fmec), die von dem mechanischen Energiespeicher (20) auf den Anker (17) erzeugt wird, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft (FmH) auf den Anker (17) entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH) ist, und für die Aktuierung ein Aktuierungsmagnetfeld erzeugt wird, das der magnetischen Haltekraft (FmH) auf den Anker (17) richtungsmäßig entgegenwirkt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft (Fmec) und aus der magnetischen Aktuierungskraft (FmA) betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft (FmH) und somit der Anker (17) beschleunigt wird, wobei die Beschleunigung zum überwiegenden Teil von der mechanischen Kraft des Energiespeichers bewirkt wird.Method for actuating at least one armature in a magneto-mechanical actuator according to one of Claims 1 to 8 from a holding state, wherein in the holding state a mechanical force (F mec ) originating from the mechanical energy store ( 20 ) on the anchor ( 17 ) which is directionally the magnetic holding force (F mH ) on the armature ( 17 ) and is smaller in magnitude than the magnetic holding force (F mH ), and for the actuation an actuation magnetic field is generated which the magnetic holding force (F mH ) on the armature ( 17 ) counteracts the direction so that the sum of the mechanical force (F mec ) and the magnetic actuation force (F mA ) amount is greater than the magnetic holding force (F mH ) and thus the armature ( 17 ) is accelerated, the acceleration is caused for the most part by the mechanical force of the energy storage.
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