DE102011083282B3

DE102011083282B3 - Elektromagnetischer Antrieb

Info

Publication number: DE102011083282B3
Application number: DE201110083282
Authority: DE
Inventors: Marcus Kampf; Martin Böttcher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-09-24
Also published as: WO2013041324A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf einen elektromagnetischen Antrieb (10) für einen elektrischen Schalter (20), insbesondere einen elektrischen Leistungsschalter, mit zumindest einem beweglichen Anker (60, 800), der entlang einer vorgegebenen Schieberichtung (P) eine Hubbewegung ausführen kann, mittelbar oder unmittelbar mit einem beweglichen Schaltkontakt (21) des Schalters (20) verbindbar ist und in einer geschlossenen Position an einer ankerseitigen Anschlagsfläche (63) mit zumindest einer jochseitigen Anschlagsfläche (105a) einen magnetischen Kreis (M1, M2) des Antriebs (10) schließt, undmindestens einer Spule (80), wobei in der geöffneten Position des Ankers (60, 800) die ankerseitige Anschlagsfläche (63, 801) und die jochseitige Anschlagsfläche (105a) voneinander beabstandet sind und – bei einem Stromfluss durch die Spule – der magnetische Fluss der Spule den Spalt (620, D2) zwischen der ankerseitigen Anschlagsfläche (63, 801) und der jochseitigen Anschlagsfläche (105a) durchsetzt, und wobei die Breite eines seitlichen Spalts (140, 150, D) zwischen einer sich längs der Schieberichtung (P) erstreckenden Seitenfläche (600, 803) des Ankers (60, 800) und einer sich längs der Hubrichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche (100b, 110b, 813a) des mindestens einen Jochteiles oder eines anderen Jochteiles (100, 110, 813)) in der geschlossenen Position des Ankers größer als in der geöffneten Position ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Antrieb für einen elektrischen Schalter insbesondere einen elektrischen Leistungsschalter, vorgesehen mit zumindest einem beweglichen Anker, der entlang einer vorgegebenen Schieberichtung eine Hubbewegung ausführen kann, mittelbar oder unmittelbar mit einem beweglichen Schaltkontakt des Schalters verbindbar ist und in einer geschlossenen Position an einer ankerseitigen Anschlagsfläche mit zumindest einer jochseitigen Anschlagsfläche einen magnetischen Kreis des Antriebs schließt, und mindestens einer Spule, wobei in der geöffneten Position des Ankers die ankerseitige Anschlagsfläche und die jochseitige Anschlagsfläche voneinander beabstandet sind und bei einem Stromfluss durch die Spule der magnetische Fluss der Spule den Spalt zwischen der ankerseitigen Anschlagsfläche und der jochseitigen Anschlagsfläche durchsetzt.
Ein derartiger Antrieb ist beispielsweise aus der FR 2 913 142 A1 oder der DE 197 15 114 A1 bekannt.
Ein weiterer Antrieb ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift EP 0 321 664 bekannt. Dieser Antrieb weist einen beweglichen Anker auf, der entlang einer vorgegebenen Schieberichtung eine Hubbewegung ausführen kann und mit einem beweglichen Schaltkontakt eines Schalters verbindbar ist. Außerdem umfasst der Antrieb einen Dauermagneten, der ein magnetisches Feld sowie eine Haltekraft zum Halten des Ankers in einer vorgegebenen Position erzeugt. Eine Spule ist derart angeordnet, dass durch einen Stromfluss der Antrieb betätigt und der Anker bewegt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb anzugeben, bei dem zum Bewegen des Ankers besonders wenig Spulenstrom erforderlich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schalters sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Breite eines seitlichen Spalts zwischen einer sich längs der Hubrichtung erstreckenden Seitenfläche des Ankers und einer sich längs der Hubrichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche des mindestens einen Jochteiles oder eines anderen Jochteiles in der geschlossenen Position des Ankers größer als in der geöffneten Position ist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebs besteht darin, dass aufgrund der ankerhubabhängigen Breite des seitlichen Spaltes der seitliche Spalt je nach Stellung des Ankers unterschiedliche Funktionen ausüben kann. Beispielsweise kann in der geöffneten Position des Ankers ein magnetischer Kurzschluss über den seitlichen Spalt hergestellt werden, so dass die Feldlinien des Magnetfeldes der Spule beim Umstellen des Ankers lediglich einen einzigen Spalt (Luftspalt oder Gasspalt), nämlich den zwischen der ankerseitigen Anschlagsfläche und der jochseitigen Anschlagsfläche, passieren müssen; dies führt zu einer besonders effektiven Nutzung des Magnetfeldes und des Stromes und damit zu einem besonders niedrigen Strombedarf beim Umstellen des Ankers. In der geschlossenen Position des Ankers kann der seitliche Spalt hingegen feldfrei (magnetisch inaktiv) gehalten werden, indem der magnetische Widerstand des seitlichen Spalts durch eine entsprechend hohe Spaltbreite so groß gemacht wird, dass kein oder nur vernachlässigbar wenig magnetisches Feld den Spalt passiert; in diesem Falle wird der magnetische Kreis an anderer Stelle geschlossen werden, beispielsweise zwischen einer anderen ankerseitigen Anschlagsfläche und einer anderen jochseitigen Anschlagsfläche, wodurch sich die Haltekraft zum Halten des Ankers in der geschlossenen Position erhöhen lässt.
Vorzugsweise ist die Seitenfläche des Ankers und/oder die jochseitige Seitenfläche derart in Richtung des seitlichen Spalts vorstehend geformt, dass die Breite des seitlichen Spalts in der geschlossenen Position des Ankers größer als in der geöffneten Position ist. Beim Überführen des Ankers in die geöffnete Position wird die Breite des seitlichen Spaltes vorzugsweise kleiner.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Seitenfläche des Ankers einen sich quer zur Schieberichtung der Hubbewegung erstreckenden Vorsprung aufweist, der in der geöffneten Position des Ankers den magnetischen Kreis des durch die Spule bei Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes schließt. Der ankerseitige Vorsprung kann stufenförmig, rampenförmig oder anders geformt sein. Der ankerseitige Vorsprung kann als separates Teil außen angebracht sein oder durch die Formgestaltung der Ankerseitenfläche selbst gebildet sein.
Gemäß einer anderen besonders bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die jochseitige Seitenfläche einen sich quer zur Schieberichtung der Hubbewegung erstreckenden Vorsprung aufweist, der in der geöffneten Position des Ankers den magnetischen Kreis des Magnetfeldes der Spule schließt. Der jochseitige Vorsprung kann stufenförmig, rampenförmig oder anders geformt sein. Der jochseitige Vorsprung kann als separates Teil außen am Joch angebracht sein oder durch die Formgestaltung der Jochseitenfläche selbst gebildet sein.
Die ankerseitige Anschlagsfläche sowie die jochseitige Anschlagsfläche sind bevorzugt quer zur vorgegebenen Schieberichtung der Hubbewegung ausgerichtet. Besonders bevorzugt liegt der Winkel zwischen der ankerseitigen Anschlagsfläche und der Schieberichtung der Hubbewegung und/oder der Winkel zwischen der jochseitigen Anschlagsfläche und der Schieberichtung der Hubbewegung zwischen 45° und 135° und beträgt beispielsweise 90°.
Vorzugsweise weist der Antrieb mindestens einen Dauermagneten auf, der an mindestens eines der Jochteile des Antriebs angrenzt und ein magnetisches Feld für den magnetischen Kreis sowie eine Haltekraft zum Halten des Ankers in der geschlossenen Position erzeugt. Die mindestens eine Spule ist bevorzugt derart angeordnet, dass durch einen Stromfluss durch die Spule ein magnetischer Fluss hervorgerufen werden kann, dessen Flussrichtung der Flussrichtung des magnetischen Flusses des Dauermagneten im magnetischen Kreis entspricht oder dieser entgegengesetzt ist.
Bei dem Anker handelt es sich bevorzugt um einen Tauchanker mit einem T-förmigen Querschnitt.
Der Anker steht vorzugsweise mit einer Federeinrichtung in Verbindung, die eine Federkraft in Richtung geöffnete Position des Ankers ausübt, in der der magnetische Kreis geöffnet ist.
Die Jochteile und der oder die Dauermagnete bilden bevorzugt einen magnetisch leitfähigen Hohlkörper mit Öffnungsschlitz, durch den der Anker in den Innenbereich des Hohlkörpers eintauchen kann.
In der geschlossenen Position des Ankers liegen eine erste ankerseitige Anschlagsfläche vorzugsweise außen auf der Außenseite des Hohlkörpers und eine zweite ankerseitige Anschlagsfläche innen auf der Innenseite des Hohlkörpers auf.
Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Hohlkörper rohr- oder rinnenförmig ist und sich entlang einer Längsachse erstreckt, die senkrecht zur vorgegebenen Schieberichtung des Ankers ausgerichtet ist und sich der Öffnungsschlitz parallel zur Längsachse erstreckt und der Anker den Öffnungsschlitz verschließt. Vorzugsweise ist der Hohlkörper an seinem vorderen und hinteren Rohr- oder Rinnenende jeweils mit einem Blech, vorzugsweise aus magnetisch nicht leitfähigem Material, zumindest abschnittsweise verschlossen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung mit einem Antrieb, wie beschrieben, und einem Schalter, der von dem Antrieb antreibbar ist.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebs für einen elektrischen Schalter, insbesondere einen elektrischen Leistungsschalter, bei dem ein beweglicher Anker zum Öffnen und Schließen des Schalters entlang einer vorgegebenen Schieberichtung verschoben wird, wobei der Anker von seiner geöffneten Position in seine geschlossene Position gebracht wird, indem ein Strom in eine Spule des Antriebs eingespeist und ein magnetischer Fluss erzeugt wird, der einen Spalt zwischen einer ankerseitigen Anschlagsfläche und einer jochseitigen Anschlagsfläche und einen seitlichen Spalt zwischen einer sich längs der Hubrichtung erstreckenden Seitenfläche des Ankers und einer sich längs der Hubrichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche durchsetzt, und durch die Magnetkraft des Magnetfeldes die ankerseitige Anschlagsfläche in Richtung jochseitiger Anschlagsfläche gezogen wird, und wobei die Spaltbreite des seitlichen Spalts beim Verschieben des Ankers von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung vergrößert wird.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antrieb verwiesen, da die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens denen des Antriebs im Wesentlichen entsprechen.
Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Anker von seiner geschlossenen Stellung in seine geöffnete Stellung gebracht wird, indem ein entgegengesetzter Strom in die Spule eingespeist wird, und die Spaltbreite des seitlichen Spalts beim Verschieben des Ankers von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung verkleinert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit einem elektromagnetischen Antrieb sowie einem elektrischen Schalter, der mit dem elektromagnetischen Antrieb in Verbindung steht,
2 einen Tauchanker des elektromagnetischen Antriebs gemäß 1 in einer geöffneten Position näher im Detail,
3 den Tauchanker gemäß 2 in einer anderen Darstellung,
4 den Tauchanker gemäß den 2 und 3 in seiner geschlossenen Position,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb mit einer anderen Anordnung von Dauermagneten,
6 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb mit zusätzlichen Jochteilen,
7 einen Tauchanker des Antriebs gemäß 6 in seiner geöffneten Position näher im Detail,
8–9 ein viertes Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb mit anders angeordneten Jochteilen,
10 eine Variante des vierten Ausführungsbeispiels zur Erläuterung der erforderlichen Antriebskräfte,
11 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antrieb in einer dreidimensionalen Explosionszeichnung,
12 den elektromagnetischen Antrieb gemäß 11 im montierten Zustand,
13 ein Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb mit rampenförmigen Vorsprüngen am Anker, und
14 ein Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb mit einem rampenförmigen Vorsprung an einem Jochteil.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 erkennt man einen elektromagnetischen Antrieb 10 für einen elektrischen Schalter 20, bei dem es sich beispielsweise um einen Leistungsschalter handeln kann. Der elektrische Schalter 20 umfasst einen beweglichen Schaltkontakt 21 sowie einen feststehenden Schaltkontakt 22.
Der bewegliche Schaltkontakt 21 steht mit einer Antriebsstange 30 des elektromagnetischen Antriebs 10 in Verbindung, die mit einer Federeinrichtung 40 des elektromagnetischen Antriebs 10 zusammenwirkt. An die Federeinrichtung 40 ist außerdem eine weitere Antriebsstange 50 angekoppelt, die mit einem Tauchanker 60 des elektromagnetischen Antriebs 10 verbunden ist.
Der Tauchanker 60 kann entlang einer vorgegebenen Schieberichtung P eine Hubbewegung ausführen und dabei in einen magnetischen Hohlkörper 70 des Antriebs 10 eintauchen. Die 1 zeigt den Tauchanker 60 mit durchgezogenen Linien in einer geöffneten Position, in der er aus dem Hohlkörper 70 herausragt. Mit gestrichelten Linien sowie mit dem Bezugszeichen 61 ist die geschlossene Position des Tauchankers dargestellt, in der er in den magnetischen Hohlkörper 70 vollständig eingeführt ist.
Die Funktion der Federeinrichtung 40 besteht darin, die weitere Antriebsstange 50 in der 1 nach oben zu drücken, so dass der Tauchanker 60 mit einer Federkraft beaufschlagt wird, die ihn in die geöffnete Position bringen soll. In der geöffneten Position des Tauchankers 60 befindet sich der bewegliche Schaltkontakt 21 in einer geöffneten Position, die in der 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt ist.
Wie weiter unten noch näher im Detail erläutert werden wird, kann durch Einspeisen eines Stromes durch eine Spule 80 des elektromagnetischen Antriebs 10 eine Magnetkraft erzeugt werden, mit der der Tauchanker 60 entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 40 in seine geschlossene Position gebracht wird. In dieser geschlossenen Position wird der Tauchanker durch den magnetischen Hohlkörper 70 auch dann gehalten, wenn kein Strom durch die Spule 80 geleitet wird. Die Magnetkraft, die der magnetische Hohlkörper 70 zum Halten des Tauchankers 60 in der geschlossenen Position benötigt, wird durch zwei Dauermagnete 90 und 95 erzeugt, die Bestandteile des magnetischen Hohlkörpers 70 bilden. Neben den beiden Dauermagneten 90 und 95 umfasst der magnetische Hohlkörper 70 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 fünf Jochteile, nämlich ein erstes Jochteil 100, ein zweites Jochteil 105, ein drittes Jochteil 110, ein viertes Jochteil 115 sowie ein fünftes Jochteil 120. Die Anordnung der fünf Jochteile 100, 105, 110, 115 und 120 ist derart gewählt, dass der magnetische Hohlkörper 70 einen Öffnungsschlitz 130 bildet, durch den der im Querschnitt im Wesentlichen T-förmige Tauchanker 60 in den Hohlkörper eintauchen kann. Die fünf Jochteile 100, 105, 110, 115 und 120 bestehen aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise einem eisenhaltigen Material.
Sobald der Tauchanker 60 seine geschlossene Position erreicht hat, drücken die beiden Antriebsstangen 30 und 50 den beweglichen Schaltkontakt 21 in der 1 nach unten, so dass dieser ebenfalls seine geschlossene Position erreicht und den elektrischen Schalter 20 schließt. Die bewegliche Position des Schaltkontakts 21 ist in der 1 mit gestrichelten Linien sowie dem Bezugszeichen 21a gekennzeichnet.
In der 1 lässt sich darüber hinaus erkennen, dass der Tauchanker 60 eine erste ankerseitige Anschlagsfläche 62 sowie eine zweite ankerseitige Anschlagsfläche 63 aufweist. In der geschlossenen Position des Tauchankers 60 liegt die erste ankerseitige Anschlagsfläche 62 auf der Außenseite 71 des magnetischen Hohlkörpers 70 bzw. auf der Außenseite des ersten Jochteils 100 sowie des dritten Jochteils 110 auf. Die Außenseite des ersten Jochteils 100 bildet eine erste jochseitige Anschlagsfläche 100a. Die zweite ankerseitige Anschlagsfläche 63 liegt in der geschlossenen Position des Tauchankers 60 auf der Innenseite 72 des Hohlkörpers 70, und zwar auf der Innenseite des zweiten Jochteils 105, auf. Die Innenseite des zweiten Jochteils 105 bildet eine zweite jochseitige Anschlagsfläche 105a.
Bei der geschlossenen Position des Tauchankers 60 werden zwei magnetische Kreise geschlossen, deren magnetischer Fluss durch die beiden Dauermagnete 90 und 95 hervorgerufen wird. Der magnetische Fluss des ersten magnetischen Kreises fließt vom Dauermagneten 90 über das vierte Jochteil 115, das erste Jochteil 100, den Tauchanker 60 und das zweite Jochteil 105 zum Dauermagneten 90 zurück. Der magnetische Fluss des zweiten Dauermagneten 95 fließt über das fünfte Jochteil 120, das dritte Jochteil 110, den Taucheranker 60 sowie das zweite Jochteil 105.
Durch die magnetische Kraft der beiden magnetischen Kreise wird der Tauchanker 60 in seiner geschlossenen Position gehalten, obwohl die Federkraft der Federeinrichtung 40 den Tauchanker 60 in die geöffnete Position bringen will. Die Federkraft der Federeinrichtung 40 ist also kleiner bemessen als die Magnetkraft der magnetischen Kreise der beiden Dauermagnete 90 und 95.
Soll der elektrische Schalter 20 mit dem elektromagnetischen Antrieb 10 geöffnet werden, so wird durch die Spule 80 ein Strom eingespeist, der den beiden magnetischen Kreisen der beiden Dauermagnete 90 und 95 entgegengesetzt ist. Dadurch wird die magnetische Haltekraft der beiden magnetischen Kreise der beiden Dauermagnete 90 und 95 herabgesetzt, so dass die Federkraft der Federeinrichtung 40 ausreicht, den Tauchanker 60 in seine geöffnete Position zu drücken. In der geöffneten Position des Tauchankers 60 ist der Abstand zwischen der ersten ankerseitigen Anschlagsfläche 62 und der ersten jochseitigen Anschlagsfläche 100a sowie der Abstand zwischen der zweiten ankerseitigen Anschlagsfläche 63 und der zweiten jochseitigen Anschlagsfläche 105a so groß, dass die Magnetkraft der Dauermagnete 90 und 95 nicht mehr ausreicht, um den Tauchanker 60 entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 40 zu schließen.
An der Seitenfläche 600 des Tauchankers 60/61 sind zwei sich quer zur Schieberichtung P der Hubbewegung erstreckende bzw. aus der Ebene der Seitenfläche 600 herausragende Vorsprünge 610 und 611 ausgebildet bzw. angeordnet. Die Funktion der Vorsprünge 610 und 611 wird weiter unten im Zusammenhang mit den 2 und 3 näher im Detail erläutert.
Die 2 zeigt zur besseren Übersicht den Tauchanker 60 nochmals in seiner geöffneten Position in einer größeren Darstellung. Es lässt sich erkennen, dass der Abstand A2 zwischen der ersten ankerseitigen Anschlagsfläche 62 und der zweiten ankerseitigen Anschlagsfläche 63 dem Abstand A1 zwischen der Außenseite des ersten Jochteils 100 sowie der Innenseite des zweiten Jochteils 105 entspricht. Aus diesem Grunde können die beiden magnetischen Kreise der beiden Dauermagnete 90 und 95 entlang der Schieberichtung spaltfrei, zumindest näherungsweise spaltfrei, geschlossen werden, wenn der Tauchanker 60 in den Hohlkörper 70 vollständig eingeführt ist. Befestigungsschrauben zum Halten der beiden Jochteile 100 und 110 sind in der 2 mit den Bezugszeichen 210 und 215 bezeichnet.
In der 3 ist nochmals der geöffnete Zustand gezeigt, jedoch mit den magnetischen Feldlinien der magnetischen Kreise M1 und M2 der beiden Dauermagnete 90 und 95. Man sieht, dass sich die beiden an der Seitenfläche 600 befindlichen Vorsprünge 610 und 611 des Tauchankers im Bereich des Öffnungsschlitzes 130 befinden und diesen ganz oder nahezu vollständig, abgesehen von einem womöglich vorhandenen vernachlässigbar kleinen Restspalt, verschließen. Zwischen der sich längs der Hubrichtung P erstreckenden Seitenfläche 600 des Ankers 60 und der sich längs der Hubrichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche 100b des ersten Jochteiles 100 ist also kein oder nahezu kein Spalt (Luftspalt) vorhanden. Entsprechendes gilt für die andere Seite des Tauchankers 60: Auch zwischen der Seitenfläche 600 und der sich längs der Hubrichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche 110b des dritten Jochteiles 110 ist kein oder nahezu kein Spalt vorhanden.
Die Funktion der Vorsprünge 610 und 611 besteht darin, den Öffnungsschlitz 130 magnetisch kurzzuschließen, so dass bei den beiden magnetischen Kreisen M1 und M2 im Bereich des Öffnungsschlitzes 130 keine oder nur sehr wenig magnetische Feldstärke abfällt bzw. verloren geht. Es verbleibt somit lediglich ein einziger relevanter Luftspalt, nämlich der untere Luftspalt 620, den die Feldlinien der beiden magnetischen Kreise M1 und M2 überwinden müssen, um den Tauchanker 60 in die geschlossene Position zu überführen. Wird also zum Schließen des Antriebs 10 bzw. zum Schließen des Schalters 20 Strom in die Spule 80 eingespeist, so ist zum Bewegen des Tauchankers 60 – entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 40 – weniger Strom nötig als ohne die beiden Vorsprünge 610 und 611, weil die gesamte durch den Stromfluss bereitgestellte magnetische Feldstärke zum Überwinden und Schließen des unteren Luft- bzw. Gasspaltes 620 zwischen der zweiten ankerseitigen Anschlagsfläche 63 und der zweiten jochseitigen Anschlagsfläche 105a zur Verfügung steht.
Die Funktion der beiden Vorsprünge 610 und 611 besteht also darin, das Schließen des Tauchankers bzw. das Bewegen des Tauchankers 60 in die geschlossene Position zu vereinfachen bzw. mit weniger Strom zu ermöglichen, als dies ohne die Vorsprünge möglich wäre.
In der 4 ist die geschlossene Position des Tauchankers 60 dargestellt. Man sieht, dass die erste ankerseitige Anschlagsfläche 62 auf der Außenseite der beiden Jochteile 100 und 110 aufliegt, und die beiden magnetischen Kreise M1 und M2 an dieser Stelle geschlossen werden. In entsprechender Weise werden die beiden magnetischen Kreise M1 und M2 auch an der zweiten ankerseitigen Anschlagsfläche 63 geschlossen, weil diese vollständig auf der Innenseite des zweiten Jochteils 105 aufliegt.
Das in der 4 dargestellte vollständige Schließen der beiden magnetischen Kreise M1 und M2 ist bei dem elektromagnetischen Antrieb 10 gemäß den 1 bis 4 möglich, weil der Abstand zwischen den beiden ankerseitigen Anschlagsflächen 62 und 63 mit dem Abstand zwischen der Außenseite der beiden Jochteile 100 und 110 sowie der Innenseite des zweiten Jochteils 105 identisch ist.
In der 4 erkennt man außerdem, dass die Größe und Position der beiden Vorsprünge 610 und 611 derart gewählt ist, dass diese in der geschlossenen Position des Tauchankers 60 den Öffnungsschlitz 130 zwischen der Seitenfläche (Seitenwand) 600 des Tauchankers 60 und den beiden Jochteilen 100 und 110 freigeben, so dass seitliche Spalte 140 und 150 zwischen der Seitenfläche 600 und den jochseitigen Seitenflächen 100b und 110b verbleiben und der Öffnungsschlitz nicht magnetisch kurzgeschlossen wird. Aus diesem Grunde werden die magnetischen Feldlinien der beiden magnetischen Kreise M1 und M2 die seitlichen Spalte 140 und 150 umgehen und in dem Bereich, in dem die Anschlagsfläche 62 auf den beiden Jochteilen 100 und 110 aufliegt, die Schnittstelle zwischen den Jochteilen 100 bzw. 110 und dem Tauchanker 60 passieren. Dadurch wird die Haltekraft erhöht, den die Dauermagnete 90 und 95 zum Halten des Tauchankers 60 in der geschlossenen Position aufbringen können.
Die 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb 10 für einen elektrischen Schalter 20. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 mit dem Unterschied, dass die beiden Dauermagnete 90 und 95 an anderer Stelle positioniert sind, nämlich zwischen dem ersten Jochteil 100 und dem vierten Jochteil 115 sowie zwischen dem dritten Jochteil 110 und dem fünften Jochteil 120.
Die 6 und 7 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb 10 für einen elektrischen Schalter 20. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 5 mit dem Unterschied, dass weitere Jochteile 701, 702 und 703 vorhanden sind, die den Hohlkörper 70 nach oben hin abdecken oder abschließen.
In der geöffneten Position des Tauchankers 60 stößt dessen Oberseite 630 (vgl. 7) an das obere Jochteil 702 an, so dass zwei magnetische Kreise M1 und M2 geschlossen werden, deren Magnetfelder durch die beiden Dauermagnete 90 und 95 erzeugt werden. Zum Überführen des Tauchankers 60 in die geschlossene untere Stellung muss die Spule 80 ein Magnetfeld erzeugen, das die Haltekraft der Dauermagnete 90 und 95 sowie die Federkraft der Federeinrichtung überwindet. Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel hier entsprechend.
Die 8 und 9 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel für einen elektromagnetischen Antrieb 10 für einen aus Gründen der Übersicht nicht weiter dargestellten elektrischen Schalter. Bei dem vierten Ausführungsbeispiel ist ein Anker 800 erkennbar, der mit einer Federkraft Ff einer nicht dargestellten Feder beaufschlagt ist. Bei der Feder kann es sich um eine Zugfeder handeln, die den Anker 800 nach oben zieht, oder um eine Druckfeder, die den Anker 800 nach oben drückt.
Mit dem Anker 800 wirken ein erstes Jochteil 810, ein zweites Jochteil 811, ein drittes Jochteil 812 und ein viertes Jochteil 813 sowie ein Dauermagnet 820 zusammen.
Der Dauermagnet 820 erzeugt ein Magnetfeld, das in der in der 8 gezeigten geschlossenen Position des Ankers 800 einen Magnetkreis M1 bildet. In dieser geschlossenen Position des Ankers 800 liegt die untere Ankerfläche 801 auf dem ersten Jochteil 810 und dem dritten Jochteil 812 auf. Es lässt sich erkennen, dass die Feldlinien des Magnetfeldes in der geschlossenen Position des Ankers 800 durch die drei Jochteile 810, 811 und 812 sowie durch den Anker 800 laufen und eine Magnetkraft erzeugen, durch die der Anker 800 entgegen der Federkraft auf den beiden Jochteilen 810 und 812 gehalten wird.
Die 8 zeigt außerdem, dass die jochseitige Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 derart geformt ist, dass in der geschlossenen Position des Ankers 800, wie in der 8 dargestellt, ein seitlicher Abstand bzw. Luftspalt D zwischen der jochseitigen Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 und der Seitenfläche (seitlichen Ankerfläche) 803 des Ankers 800 vorhanden ist. Das vierte Jochteil 813 wird daher von den Feldlinien des Magnetfeldes M1 in der geschlossenen Position des Ankers 800 nicht durchsetzt.
Soll nun der Anker 800 in seine geöffnete Position gebracht werden, wie sie in der 9 gezeigt ist, so wird in die Spule 80 ein Strom eingespeist, dessen Magnetfeld dem Magnetfeld des Dauermagneten 820 entgegengesetzt ist. Die resultierende Magnetkraft, die auf den Anker 800 wirkt, wird somit reduziert, so dass die Federkraft Ff den Anker nach oben drücken kann.
Wie in der 9 erkennbar ist, wird der in der 8 vorhandene Luftspalt D zwischen der jochseitigen Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 und dem Anker 800 durch die Form der Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 nahezu oder vollständig geschlossen, so dass der magnetische Widerstand an der Schnittstelle zwischen der jochseitigen Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 und dem Anker 800 in der geöffneten Position des Ankers 800 sehr klein ist.
Man sieht in der 9, dass die jochseitige Seitenfläche 813a beispielsweise einen quer zur Schieberichtung P der Hubbewegung erstreckenden Vorsprung 813b aufweisen kann, der in der geöffneten Position des Ankers den magnetischen Kreis des Magnetfeldes der Spule 80 und/oder den des Dauermagneten 820 schließt.
Soll nun der Anker 800 von seiner geöffneten Position (vgl. 9) wieder in seine geschlossene Position (vgl. 8) gebracht werden, so wird die Spule 80 mit einem Strom beaufschlagt, der derart gerichtet ist, dass das resultierende Magnetfeld dem Magnetfeld des Dauermagneten 820 gleichgerichtet ist.
Die Feldlinien des Summenmagnetfelds bilden einen magnetischen Kreis M2, der in der noch geöffneten Position des Ankers 800 den Abstand bzw. Luftspalt D2 zwischen der unteren Ankerfläche 801 und dem ersten Jochteil 810 überwinden muss, um den Anker 800 in die geschlossene Position zu überführen. Die untere Ankerfläche 801 bildet eine ankerseitige Anschlagsfläche des Ankers 800. Wird also ein Strom durch die Spule 80 eingespeist, so müssen die Magnetkraft der Spule 80 und die des Dauermagneten 820 lediglich ausreichen, diesen einzigen Luftspalt D2 zu schließen. Es ist somit sehr viel weniger Strom nötig, als dies der Fall wäre, wenn das vierte Jochteil 813 oder der Vorsprung 813b fehlen würde und zusätzlich auch der Spalt zwischen dem Anker 800 und dem dritten Jochteil 812 überwunden werden müsste.
Dieser Sachverhalt soll anhand der 10 näher erläutert werden. Die 10 zeigt den Antrieb ohne das vierte Jochteil 813. Im Falle ohne das vierte Jochteil 813 sind zwei Luftspalte vorhanden und magnetisch zu überwinden, nämlich der Luftspalt D2 zwischen der unteren Ankerfläche 801 und dem ersten Jochteil 810, sowie der Luftspalt D3 zwischen der unteren Ankerfläche 801 und dem dritten Jochteil 812. Um beide Luftspalte D2 und D3 zu schließen, muss ca. viermal so viel Strom in die Spule 80 eingespeist werden wie bei dem Antrieb mit viertem Jochteil gemäß 9.
In der 11 ist beispielhaft der mechanische Aufbau eines elektromagnetischen Antriebs, wie er dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 entspricht, in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung gezeigt. Die Vorsprünge 610 und 611 sind aus Gründen der Übersicht in der 11 weggelassen. Man erkennt das erste Jochteil 100, das mit dem vierten Jochteil 115 mittels Schrauben, die durch Bohrungen 200 geführt sind, verschraubt wird. Zwischen dem vierten Jochteil 115 und dem zweiten Jochteil 105 befindet sich der Dauermagnet 90, der mit Hilfe zweier Befestigungsplatten 300 und 305 an den Jochteilen fixiert wird. Die beiden Befestigungsplatten 300 und 305 fixieren außerdem den anderen Dauermagneten 95, der zwischen dem zweiten Jochteil 105 und dem fünften Jochteil 120 positioniert ist. An dem fünften Jochteil 120 wird das dritte Jochteil 110 mittels Befestigungsschrauben fixiert, die durch überdimensionierte Bohrungen 205 geführt sind.
Der Tauchanker 60 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 durch eine obere Ankerplatte 64 und eine Führungsplatte 65 gebildet, die auf einem Ankermittelteil 66 aufgeschraubt sind.
In der 11 erkennt man darüber hinaus die weitere Antriebsstange 50, die durch eine Bohrung 105b im zweiten Jochteil 105 hindurchgeführt ist.
Bei der Darstellung gemäß 11 lässt sich darüber hinaus erkennen, dass die Jochteile 100, 105, 110, 115 und 120 sowie die beiden Dauermagnete 90 und 95 einen Hohlkörper bilden, der rohr- oder rinnenförmig ist und sich entlang einer Längsachse L erstreckt. Die Längsachse L steht senkrecht zu der vorgegebenen Schieberichtung P, mit der der Tauchanker 60 seine Hubbewegung ausführt. Das vordere und hintere Rohr- oder Rinnenende des rohr- oder rinnenförmigen Hohlkörpers ist jeweils mit einem Blech verschlossen, von denen beispielhaft eins in der 11 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 310 gekennzeichnet ist.
Die 12 zeigt den elektromagnetischen Antrieb gemäß 11 im montierten Zustand. Man erkennt zwei Bleche 310 und 320, die den rohr- oder rinnenförmigen Hohlkörper 70 an den beiden Rohr- oder Rinnenenden abschließen. Darüber hinaus erkennt man die weitere Antriebsstange 50, die aus dem Hohlkörper 70 herausgeführt ist und mit der Federeinrichtung 40 gemäß 1 verbunden werden kann.
Auch sind das vierte Jochteil 115 sowie das zweite Jochteil 105, die beiden Befestigungsplatten 300 und 305 sowie die Spule 80 erkennbar, die durch Aussparungen in den beiden Blechen 310 und 320 aus dem Hohlkörper 70 herausragen kann. Ebenso sind die Befestigungsschrauben 210 zu erkennen, mit denen das erste Jochteil an dem vierten Jochteil 115 verschraubt ist.
Die 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Antrieb 10. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 mit dem Unterschied, dass die Ausgestaltung der Vorsprünge 610 und 611 anders ist. Diese sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 13 nämlich rampenförmig und nicht stufenförmig.
Selbstverständlich sind auch andere Formgestaltungen der Seitenfläche 600 des Tauchankers 60 bzw. der Vorsprünge 610 und 611 möglich, als in den Figuren gezeigt sind. Vorzugsweise ist die Seitenfläche 600 des Tauchankers 60 derart ausgestaltet, dass die Spaltbreite des seitlichen Spalts in der geschlossenen Position des Tauchankers größer als in der geöffneten Position ist.
Die 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Antrieb 10. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß den 8 und 9 mit dem Unterschied, dass die Ausgestaltung des Vorsprungs 813b anders ist. Dieser ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 14 nämlich rampenförmig und nicht stufenförmig.
Selbstverständlich sind andere Formgestaltungen der Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 bzw. des Vorsprungs 813b möglich, als in den Figuren gezeigt ist. Vorzugsweise ist die Seitenfläche 813a des vierten Jochteiles 813 derart ausgestaltet, dass die Spaltbreite D des seitlichen Spalts in der geschlossenen Position des Ankers größer als in der geöffneten Position ist.
Bezugszeichenliste

10: elektromagnetischer Antrieb
20: elektrischer Schalter
21: beweglicher Schaltkontakt
21a: bewegliche Position
22: feststehender Schaltkontakt
30: Antriebsstange
40: Federeinrichtung
50: Antriebsstange
60: Tauchanker
61: geschlossene Position des Tauchankers
62: erste ankerseitige Anschlagsfläche
63: zweite ankerseitige Anschlagsfläche
64: Ankerplatte
65: Führungsplatte
66: Ankermittelteil
70: Hohlkörper
71: Außenseite
72: Innenseite
80: Spule
90: Dauermagnet
95: Dauermagnet
100: erstes Jochteil
100a: jochseitige Anschlagsfläche
100b: jochseitige Seitenfläche
105: zweites Jochteil
105a: jochseitige Anschlagsfläche
105b: Bohrung
110: drittes Jochteil
110b: jochseitige Seitenfläche
115: viertes Jochteil
120: fünftes Jochteil
130: Öffnungsschlitz
140: seitlicher Spalt
150: seitlicher Spalt
200: Bohrung
205: Bohrung
210: Befestigungsschraube
215: Befestigungsschraube
300: Befestigungsplatte
305: Befestigungsplatte
310: Blech
320: Blech
600: ankerseitige Seitenfläche
610: Vorsprung
611: Vorsprung
620: Luftspalt
630: Oberseite des Tauchankers
701: Jochteil
702: Jochteil
703: Jochteil
800: Anker
801: untere Ankerfläche
803: Seitenfläche
810: erstes Jochteil
811: zweites Jochteil
812: drittes Jochteil
813: viertes Jochteil
813a: jochseitige Seitenfläche
813b: Vorsprung
820: Dauermagnet
A1: Abstand
A2: Abstand
D: seitlicher Luftspalt
D2: Luftspalt
D3: Luftspalt
Ff: Federkraft
L: Längsachse
M1: magnetischer Kreis
M2: magnetischer Kreis
P: Schieberichtung

Claims

Elektromagnetischer Antrieb (10) für einen elektrischen Schalter (20), insbesondere einen elektrischen Leistungsschalter, mit – zumindest einem beweglichen Anker (60, 800), der entlang einer vorgegebenen Schieberichtung (P) eine Hubbewegung ausführen kann, mittelbar oder unmittelbar mit einem beweglichen Schaltkontakt (21) des Schalters (20) verbindbar ist und in einer geschlossenen Position an einer ankerseitigen Anschlagsfläche (63) mit zumindest einer jochseitigen Anschlagsfläche (105a) einen magnetischen Kreis (M1, M2) des Antriebs (10) schließt, und – mindestens einer Spule (80), – wobei in der geöffneten Position des Ankers (60, 800) die ankerseitige Anschlagsfläche (63, 801) und die jochseitige Anschlagsfläche (105a) voneinander beabstandet sind und bei einem Stromfluss durch die Spule der magnetische Fluss der Spule den Spalt (620, D2) zwischen der ankerseitigen Anschlagsfläche (63, 801) und der jochseitigen Anschlagsfläche (105a) durchsetzt, dadurch gekennzeichnet dass, die Breite eines seitlichen Spalts (140, 150, D) zwischen einer sich längs der Schieberichtung (P) erstreckenden Seitenfläche (600, 803) des Ankers (60, 800) und einer sich längs der Hubrichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche (100b, 110b, 813a) des mindestens einen Jochteiles oder eines anderen Jochteiles (100, 110, 813)) in der geschlossenen Position des Ankers größer als in der geöffneten Position ist.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (600) des Ankers (60) und/oder die jochseitige Seitenfläche (813a) derart in Richtung des seitlichen Spalts (140, 150, D) vorstehend geformt ist, dass die Breite des seitlichen Spalts (140, 150, D) in der geschlossenen Position des Ankers größer als in der geöffneten Position ist und beim Überführen des Ankers in die geöffnete Position kleiner wird.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (600) des Ankers (60) einen sich quer zur Schieberichtung (P) der Hubbewegung erstreckenden Vorsprung (610, 611) aufweist, der in der geöffneten Position des Ankers den magnetischen Kreis des durch die Spule bei Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes schließt.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jochseitige Seitenfläche (813a) einen sich quer zur Schieberichtung (P) der Hubbewegung erstreckenden Vorsprung (813b) aufweist, der in der geöffneten Position des Ankers den magnetischen Kreis des Magnetfeldes der Spule schließt.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ankerseitige Anschlagsfläche (63, 801) sowie die jochseitige Anschlagsfläche (105a) quer zur vorgegebenen Schieberichtung der Hubbewegung ausgerichtet sind.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Antrieb mindestens einen Dauermagneten (90, 95) aufweist, der an mindestens eines der Jochteile des Antriebs angrenzt und ein magnetisches Feld für den magnetischen Kreis (M1, M2) sowie eine Haltekraft zum Halten des Ankers (60, 800) in der geschlossenen Position erzeugt, und – die mindestens eine Spule (80) derart angeordnet ist, dass durch einen Stromfluss durch die Spule (80) ein magnetischer Fluss hervorgerufen werden kann, dessen Flussrichtung der Flussrichtung des magnetischen Flusses des Dauermagneten im magnetischen Kreis entspricht oder dieser entgegengesetzt ist.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (60) ein Tauchanker mit einem T-förmigen Querschnitt ist.
Elektromagnetischer Antrieb (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (60, 800) mit einer Federeinrichtung (40) in Verbindung steht, die eine Federkraft (Ff) in Richtung geöffnete Position des Ankers (60) ausübt, in der der magnetische Kreis (M1, M2) geöffnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebs (10) für einen elektrischen Schalter (20), insbesondere einen elektrischen Leistungsschalter, bei dem – ein beweglicher Anker (60, 800) zum Öffnen und Schließen des Schalters (20) entlang einer vorgegebenen Schieberichtung (P) verschoben wird, – wobei der Anker (80, 600) von seiner geöffneten Position in seine geschlossene Position gebracht wird, indem ein Strom in eine Spule (80) des Antriebs (10) eingespeist und ein magnetischer Fluss erzeugt wird, der einen Spalt (620, D2) zwischen einer ankerseitigen Anschlagsfläche (63, 801) und einer jochseitigen Anschlagsfläche (105a) und einen seitlichen Spalt (140, 150, D) zwischen einer sich längs der Schieberichtung (P) erstreckenden Seitenfläche (600, 803) des Ankers (60, 800) und einer sich längs der Schieberichtung erstreckenden jochseitigen Seitenfläche (100b, 110b, 813a) durchsetzt, und durch die Magnetkraft des Magnetfeldes die ankerseitige Anschlagsfläche (63, 801) in Richtung jochseitiger Anschlagsfläche (105a) gezogen wird, und – wobei die Spaltbreite des seitlichen Spalts (140, 150, D) beim Verschieben des Ankers (60, 800) von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anker (60, 800) von seiner geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung gebracht wird, indem ein entgegengesetzter Strom in die Spule (80) eingespeist wird, und – die Spaltbreite des seitlichen Spalts (140, 150, D) beim Verschieben des Ankers (60, 800) von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung verkleinert wird.