DE102014208014A1

DE102014208014A1 - Elektrischer Schalter mit elektromagnetischem Aktuator

Info

Publication number: DE102014208014A1
Application number: DE102014208014.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hahn; Wolfgang Kühn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: US9870888B2; CA2947369C; EP3111454A1; BR112016025233A2; MX352673B; US20170110274A1; MX2016012243A; CA2947369A1; EP3111454B1; DE102014208014B4; ZA201606480B; ES2829805T3; WO2015165684A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schalters (20) mit zumindest einem beweglichen Schaltkontakt, der von einem beweglichen Anker (60) eines elektromagnetischen Aktuators (10) zum Ein- und Ausschalten des Schalters (20) bewegt wird, wobei zwischen dem beweglichen Schaltkontakt und dem Anker (60) eine Federeinrichtung (40) angeordnet ist und wobei zum Bewegen des Ankers (60) von einer vorgegebenen Ausgangsstellung (Xa), in der die Schaltkontakte geöffnet sind, in eine vorgegebene Ankerendstellung (Xe), in der die Schaltkontakte geschlossen sind und Federenergie in der Federeinrichtung (40) gespeichert ist, ein magnetischer Fluss in einer Erregerwicklung (80) des Aktuators (10) erzeugt wird, indem in die Erregerwicklung (80) ein Erregerstrom (I(t)) eingespeist wird. Erfindungsgemäß ist u. a. vorgesehen, dass unter Berücksichtigung eines Positionsdatensatzes (POS), der die jeweilige Ankerposition in Abhängigkeit von Durchflutungswerten und Flusswerten angibt, diejenige Ankerposition – nachfolgend Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) genannt – bestimmt wird, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker (60) seine Ankerendstellung (Xe) erreicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der deutschen Patentschrift DE 10 2011 083 282 B3 bekannt. Die Patentschrift beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schalters mit zumindest einem beweglichen Schaltkontakt, der von einem beweglichen Anker eines elektromagnetischen Aktuators zum Ein- und Ausschalten des Schalters bewegt wird, wobei zwischen dem beweglichen Schaltkontakt und dem Anker eine Federeinrichtung angeordnet ist. Zum Bewegen des Ankers von einer vorgegebenen Ausgangsstellung, in der die Schaltkontakte geöffnet sind, in eine vorgegebene Ankerendstellung, in der die Schaltkontakte geschlossen sind und Federenergie in der Federeinrichtung gespeichert ist, wird ein magnetischer Fluss in einer Erregerwicklung des Aktuators erzeugt, indem in die Erregerwicklung ein Erregerstrom eingespeist wird.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 195 44 207 A1 beschreibt ein Steuerverfahren für einen Aktuator. Bei diesem Verfahren werden zur Steuerung der Bewegung eines Ankers des Aktuators während der Ankerbewegung die Bewegungsgrößen, also die Beschleunigung, die Geschwindigkeit und der jeweiligen Ort des Ankers, ermittelt, nämlich unter anderem unter Auswertung des magnetischen Flusses, der durch eine Erregerwicklung des Aktuators fließt. Unter Heranziehung der errechneten Bewegungsgrößen erfolgt eine Steuerung des Stroms durch die Erregerwicklung mit Blick auf das Einhalten eines vorgegebenen Bewegungsablaufs für den Aktuator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schalters anzugeben, bei dem möglichst wenig Verschleiß auftritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung oder eine mit dem magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung korrelierende Flussgröße unter Bildung eines Flusswertes Φist(t) ermittelt wird, die magnetische Durchflutung in der Erregerwicklung unter Berücksichtigung zumindest des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes und der Windungszahl der Erregerwicklung unter Bildung eines Durchflutungswertes Θ(t) ermittelt wird und unter Berücksichtigung eines Positionsdatensatzes, der die jeweilige Ankerposition in Abhängigkeit von Durchflutungswerten und Flusswerten angibt, diejenige Ankerposition – nachfolgend Kontaktaufschlag-Ankerposition genannt – bestimmt wird, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker seine Ankerendstellung erreicht, wobei zum Bewegen des Ankers von der Ausgangsstellung in die Endstellung der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung geregelt wird, und zwar derart, dass der Verlauf des Flusswertes Φist(t) – in zumindest einem Zeitabschnitt, bevor der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht – einen fest vorgegebenen Sollflussverlauf aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass bei diesem die Kontaktaufschlag-Ankerposition ermittelt wird; dies ermöglicht es, einen vor Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition fest vorgegebenen Sollflussverlauf zum Zeitpunkt des Erreichens der Kontaktaufschlag-Ankerposition zu modifizieren und den weiteren Bewegungsablauf ab der Kontaktaufschlag-Ankerposition bis zum Erreichen der Ankerendstellung anders zu gestalten als vor Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition. Der Bewegungsablauf bis zur Ankerendstellung lässt sich somit optimieren.
Der Positionsdatensatz wird vorzugsweise anhand von Kalibrierungsmessungen, die an dem jeweils konkreten Schalter vorgenommen werden, vorab bestimmt und in einem Speicher der Steuereinrichtung hinterlegt. Alternativ kann die Bestimmung des Positionsdatensatzes auch über Computersimulationsverfahren erfolgen, die die mechanischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Schalters berücksichtigen.
Mit Blick auf die Durchführung der Flussregelung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung in dem zumindest einen Zeitabschnitt, bevor der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht, mittels einer Konstantflussregelung auf einen vorgegebenen konstanten Sollfluss Φconst1 geregelt wird. Mit anderen Worten wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der in dem zumindest einen Zeitabschnitt vor Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition fest vorgegebene Sollflussverlauf ein fest vorgegebener konstanter Sollfluss Φconst1 ist.
Besonders schnell und einfach lässt sich die Kontaktaufschlag-Ankerposition erkennen, wenn aus dem Positionsdatensatz für den konstanten Sollfluss Φconst1 ein Durchflutungswert-Ankerpositionsverlauf ausgelesen wird, der die Ankerposition in Abhängigkeit von der jeweiligen Durchflutung für den konstanten Sollfluss Φconst1 angibt, und die Kontaktaufschlag-Ankerposition (zumindest auch) anhand des Durchflutungswert-Ankerpositionsverlaufs bestimmt wird.
Aus dem Positionsdatensatz oder aus dem Durchflutungswert-Ankerpositionsverlauf wird vorzugsweise für den konstanten Sollfluss Φconst1 ein Anschlagsdurchflutungswert Θa(Xc) ausgelesen, für den der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt die Bestimmung der Kontaktaufschlag-Ankerposition vorzugsweise anhand des Anschlagsdurchflutungswerts Θa(Xc).
Vorzugsweise wird die Konstantflussregelung beendet oder auf einen anderen Sollfluss (Φconst2) umgeschaltet, sobald der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht hat. Vorzugsweise wird der magnetische Fluss durch Reduktion des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes herabgesetzt.
Im Falle einer Konstantflussregelung vor Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition und im Falle einer Berücksichtung des oben erwähnten Anschlagsdurchflutungswerts Θa(t) wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Konstantflussregelung beendet oder auf einen anderen Sollfluss (Φconst2) umgeschaltet wird, sobald der Durchflutungswert Θ(t) dem Anschlagsdurchflutungswert Θa(t) gleicht.
Alternativ oder zusätzlich kann für den jeweils ermittelten Durchflutungswert und für den jeweils ermittelten Flusswert aus dem Positionsdatensatz der jeweils passende oder annähernd passende Positionswert ausgelesen werden und die Kontaktaufschlag-Ankerposition anhand der Positionswerte erkannt werden.
Mit Blick auf die letztgenannte Ausgestaltung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn aus dem Positionsdatensatz der Bewegungsverlauf des Ankers unter Ermittlung einer zeitabhängigen Positionsangabe ermittelt wird, mit der zeitabhängigen Positionsangabe eine zeitabhängige Beschleunigungsangabe ermittelt wird und auf das Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition geschlossen wird, wenn der Betrag der zeitabhängigen Beschleunigungsangabe einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen elektrischen Schalter mit zumindest einem beweglichen Schaltkontakt, der von einem beweglichen Anker eines elektromagnetischen Aktuators zum Ein- und Ausschalten des Schalters bewegt wird, wobei zwischen dem beweglichen Schaltkontakt und dem Anker eine Federeinrichtung angeordnet ist und wobei zum Bewegen des Ankers von einer vorgegebenen Ausgangsstellung, in der die Schaltkontakte geöffnet sind, in eine vorgegebene Ankerendstellung, in der die Schaltkontakte geschlossen sind und Federenergie in der Federeinrichtung gespeichert ist, ein magnetischer Fluss in einer Erregerwicklung des Aktuators erzeugt wird, indem in die Erregerwicklung ein Erregerstrom eingespeist wird.
Bezüglich eines solchen Schalters wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Schalter eine Steuereinrichtung aufweist, die diejenige Ankerposition – nachfolgend Kontaktaufschlag-Ankerposition genannt – bestimmt, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker seine Ankerendstellung erreicht, wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie den magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung oder eine mit dem magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung korrelierende Flussgröße unter Bildung eines Flusswertes Φist(t) ermittelt, wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie die magnetische Durchflutung in der Erregerwicklung unter Berücksichtigung zumindest des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes und der Windungszahl der Erregerwicklung unter Bildung eines Durchflutungswertes Θist(t) ermittelt und wobei die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie unter Berücksichtigung eines in einem Speicher der Steuereinrichtung abgespeicherten Positionsdatensatzes, der die jeweilige Ankerposition in Abhängigkeit von Durchflutungswerten und Flusswerten angibt, die Kontaktaufschlag-Ankerposition bestimmt.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Schalters sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens denen des erfindungsgemäßen Schalters entsprechen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie zum Bewegen des Ankers von der Ausgangsstellung in die Ankerendstellung den magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung mittels einer Konstantflussregelung in zumindest einem Zeitabschnitt, bevor der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht, auf einen konstanten Sollfluss regelt.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung außerdem derart ausgestaltet, dass sie die Konstantflussregelung abschaltet oder auf einen anderen Sollfluss Φconst2 umschaltet, sobald der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht, und den magnetischen Fluss durch Reduktion des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes herabsetzt.
Die Steuereinrichtung weist vorzugsweise einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller sowie den Speicher auf, in dem der Positionsdatensatz gespeichert ist. Der Mikroprozessor oder der Mikrocontroller ist vorzugsweise derart programmiert, dass er das oben beschriebene Verfahren zum Betreiben des Schalters durchführen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit einem Aktuator und einem mit dem Aktuator in Verbindung stehenden elektrischen Schalter, wobei der Aktuator eine Erregerwicklung, eine Steuereinrichtung und eine mit der Steuereinrichtung verbundene Hilfsspule zum Messen des magnetischen Flusses aufweist,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Sollflusskurve, auf die die Steuereinrichtung gemäß 1 den magnetischen Fluss regeln kann,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Sollflusskurve, auf die die Steuereinrichtung gemäß 1 den magnetischen Fluss regeln kann,
4 ein Ausführungsbeispiel für einen Positionsdatensatz in Form einer Kennlinienschar und
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit einem Aktuator und einem elektrischen Schalter, wobei der Aktuator eine Erregerwicklung, eine Steuereinrichtung und einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Hallsensor zum Messen des magnetischen Flusses aufweist.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 erkennt man einen Aktuator in Form eines elektromagnetischen Antriebs 10 für einen elektrischen Schalter 20; bei dem Schalter 20 kann es beispielsweise um einen elektrischen Leistungsschalter handeln. 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 zusammenwirkt. An die Federeinrichtung 40 ist außerdem eine weitere Antriebsstange 50 angekoppelt, die mit einem beweglichen Anker 60 des elektromagnetischen Antriebs 10 verbunden ist.
Der Anker 60 kann entlang einer vorgegebenen Schieberichtung P eine Hubbewegung ausführen und sich dabei in Richtung eines Jochs 70 des Antriebs 10 bewegen. Die 1 zeigt den Anker 60 mit durchgezogenen Linien in einer geöffneten Position (nachfolgend auch Ausgangsposition genannt), in der er von dem Joch 70 getrennt ist. In der geöffneten Position des Ankers 60 befindet sich der bewegliche Schaltkontakt 21 in einer geöffneten Position, die in der 1 ebenfalls mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Mit gestrichelten Linien sowie mit den Bezugszeichen 61 und 21a sind die geschlossene Position (nachfolgend auch Endstellung genannt) des Ankers 60, in der dieser auf dem magnetischen Joch 70 aufliegt, und die geschlossene Position des beweglichen Schaltkontakts gezeigt.
Die Funktion der Federeinrichtung 40 besteht unter anderem darin, im geschlossenen Zustand des Schalters 20 eine vorgegebene Kontaktandruckkraft bereitzustellen; bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird die Federeinrichtung 40 die weitere Antriebsstange 50 in der 1 nach oben drücken, so dass der Anker 60 stets mit einer Federkraft beaufschlagt wird, die ihn in die geöffnete Position bringen will und die im geschlossenen Zustand durch eine entsprechend große Haltekraft kompensiert werden muss.
Wegen der Federeinrichtung 40 wird der Anker 60 bei seiner Bewegung von der Ausgangsposition in die Ankerendstellung eine Zwischenposition – nachfolgend Kontaktaufschlag-Ankerposition genannt – erreichen, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs bereits aufeinander treffen, der Anker jedoch seine Ankerendstellung noch nicht erreicht hat. Die Ausgangsposition des Ankers 60 ist in der 1 mit dem Bezugszeichen Xa, die Kontaktaufschlag-Ankerposition mit dem Bezugszeichen Xc und die Ankerendstellung mit dem Bezugszeichen Xe gekennzeichnet.
Soll der elektrische Schalter 20 mit dem elektromagnetischen Antrieb 10 geschlossen werden, so wird in die Erregerwicklung 80 mittels einer Steuereinrichtung 100 ein Strom I(t) eingespeist, der einen magnetischen Fluss innerhalb der Erregerwicklung hervorruft und den Anker 60 entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 40 in seine geschlossene Position bringt. Die Steuereinrichtung 100 umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller 110, der den Strom I(t) regelt, und zwar derart, dass der Verlauf des Flusswerts Φist(t) des magnetischen Flusses einer fest vorgegebenen Sollflusskurve entspricht, aber nur bis zu demjenigen Zeitpunkt, an dem der Anker 60 die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht; dieser Zeitpunkt wird nachfolgend Aufschlagszeitpunkt genannt. Besonders bevorzugt wird der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung 80 in dem Zeitabschnitt, der unmittelbar vor dem Aufschlagszeitpunkt liegt, mittels einer Konstantflussregelung auf einen konstanten Sollfluss Φconst1 geregelt.
Um diese Regelung des magnetischen Flusses zu ermöglichen, steht die Steuereinrichtung 100 mit einer Hilfsspule 200 in Verbindung, die das magnetische Joch 70 umgibt und von demselben magnetischen Fluss durchflossen wird wie die Erregerwicklung 80. Die Steuereinrichtung 100 bzw. deren Mikrocontroller 110 misst die an der Hilfsspule 200 abfallende elektrische Spannung Uh(t) unter Bildung eines Spulenspannungsmesswerts und ermittelt mit diesem unter Berücksichtigung des Induktionsgesetzes: Uh(t) = N·dΦist(t)/dt den magnetischen Fluss, der die Erregerwicklung 80 und die Hilfsspule 200 durchsetzt; in der Formel bezeichnet N die Wicklungsanzahl der Hilfsspule 200, Uh(t) die an der Hilfsspule 200 abfallende Spannung und t die Zeit.
Unter Berücksichtigung des jeweiligen Flusswertes Φist(t) steuert der Mikrocontroller 110 der Steuereinrichtung 100 den Strom I(t) durch die Erregerwicklung 80 derart, dass der Flusswert Φist(t) des magnetischen Flusses einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf aufweist, bevor der Anker seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht. Mit anderen Worten erfolgt die Regelung der Aktuatorbewegung bzw. die Regelung der Bewegung des Ankers 60 anfangs unabhängig von dessen tatsächlichen Bewegungsparametern, sondern ausschließlich anhand des Flusswertes Φist(t) des magnetischen Flusses, der die Erregerwicklung 80 und die Hilfsspule 200 durchsetzt, und zwar solange, bis der Anker 60 seine Kontaktaufschlag-Ankerposition erreicht hat.
Um ein Abschalten der Sollflussregelung oder ein Umschalten der Sollflussregelung auf einen anderen Sollfluss als den Sollfluss Φconst1 zu ermöglichen, wenn bzw. sobald der Anker 60 die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht, ermittelt die Steuereinrichtung 100 während der Ankerbewegung zusätzlich die magnetische Durchflutung in der Erregerwicklung 80, beispielsweise unter Berücksichtigung des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes I(t) und der Windungszahl W der Erregerwicklung 80 unter Bildung eines Durchflutungswertes Θ(t), vorzugsweise gemäß Θ(t) = W·I(t)
Die Durchflutung entspricht also der magnetischen Spannung als Wegintegral der magnetischen Feldstärke bei geschlossenem magnetischem Kreis.
Unter Berücksichtigung eines Positionsdatensatzes POS, der in einem Speicher 120 der Steuereinrichtung 100 abgespeichert ist und die jeweilige Ankerposition X in Abhängigkeit von Durchflutungswerten Θ(t) und den magnetischen Flusswerten Φist(t) angibt, kann der Mikrocontroller 110 die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc bestimmen, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker 60 seine Ankerendstellung erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Kennlinienschar, die den Positionsdatensatz POS im Speicher 120 der Steuereinrichtung 100 bilden kann, ist beispielhaft in der 4 gezeigt. Man erkennt eine Vielzahl an Funktionsverläufen der Form Φ = f(Θ) für unterschiedliche Ankerpositionen X, wobei die Ausgangsstellung, in der die Schaltkontakte geöffnet sind, mit der Bezeichnung Xa kennzeichnet ist und die Ankerendstellung, in der die Schaltkontakte geschlossen sind und Federenergie in der Federeinrichtung 40 gespeichert ist, mit dem Bezugszeichen Xe gekennzeichnet ist. Die Kurve X(t) zeigt beispielhaft einen möglichen Ankerverlauf über der Zeit durch das Kennlinienfeld während der Bewegung von der Ausgangsstellung Xa über die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc in die Ankerendstellung Xe.
Erfolgt seitens der Steuereinrichtung 80 eine Konstantflussregelung derart, dass der Flusswert Φist(t) vor Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc den konstanten Sollfluss Φconst1 aufweist, so kann die Steuereinrichtung 80 bzw. deren Mikrocontroller 110 aus dem Positionsdatensatz POS für den konstanten Sollfluss Φconst1 einen Durchflutungswert-Ankerpositionsverlauf Θa(X) auslesen bzw. bilden, der die Ankerposition X in Abhängigkeit von dem jeweiligen Durchflutungswert Θ(t) für den konstanten Sollfluss Φconst1 angibt. Aus diesem Durchflutungswert-Ankerpositionsverlauf Θa(X) kann die Steuereinrichtung 80 bzw. deren Mikrocontroller 110 wiederum den Anschlagsdurchflutungswert Θa(Xc) auslesen, für den der Anker 60 seine Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht.
Sobald die Steuereinrichtung 80 feststellt, dass der Durchflutungswert Θ(t) dem Anschlagsdurchflutungswert Θa(Xc) gleicht, schließt sie darauf, dass der Anker 60 seine Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht hat, und setzt den magnetischen Fluss ΦIst(t) durch Reduktion des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes I(t) herab. Ein solches Herabsetzen des magnetischen Flusses kann beispielsweise durch ein Umschalten der Konstantflussregelung auf einen anderen, und zwar geringeren, Sollfluss Φconst2 erfolgen.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Flusskurve mit Flusswerten Φ(t) über der Zeit t, die der Mikrocontroller 110 zur Ansteuerung der Erregerwicklung 80 einstellen kann. Man erkennt, dass die Flusskurve gemäß 2 einen Anstiegsrampenabschnitt 300 aufweist, in dem die Flusswerte Φ(t) von 0 auf einen vorgegebenen Rampenendwert vorzugsweise linear ansteigen.
An den Anstiegsrampenabschnitt 300 schließt sich ein erster Konstantflussabschnitt 310 an, in dem mittels Konstantflussregelung der magnetische Fluss einen ersten konstanten Sollfluss Φconst1 aufweist. Der erste Konstantflussabschnitt 310 dient dazu, in der Anfangsphase der Beschleunigung des beweglichen Ankers 60 besonders große Beschleunigungskräfte hervorzurufen, um die Geschwindigkeit des Ankers 60 in der Anfangsphase besonders schnell zu erhöhen.
Sobald der Anker 60 zum Zeitpunkt tc seine Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht hat, wird die Sollflussregelung umgeschaltet, und zwar auf einen konstanten zweiten Sollfluss Φconst2, der zum Halten des Ankers 60 in der Ankerendstellung geeignet ist. Es ergibt sich ein zweiter Konstantflussabschnitt, der in der 2 mit dem Bezugszeichen 320 gekennzeichnet ist.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Flusskurve mit Flusswerten Φ(t) über der Zeit t, die der Mikrocontroller 110 zur Ansteuerung der Erregerwicklung 80 einstellen kann. Man erkennt einen Anstiegsrampenabschnitt 400, einen ersten Konstantflussabschnitt 410 mit einem ersten konstanten Sollfluss Φconst1, einen zweiten Konstantflussabschnitt 420 mit einem zweiten konstanten Sollfluss Φconst2 und einen dritten Konstantflussabschnitt 430 mit einem dritten konstanten Sollfluss Φconst3.
Der zweite Konstantflussabschnitt 420 wirkt als Bremsabschnitt und liegt zeitlich zwischen dem als Beschleunigungsabschnitt wirkenden ersten Konstantflussabschnitt 410 und dem zum Halten des Ankers 60 in der Ankerendstellung geeigneten dritten Konstantflussabschnitt 430. Der zweite Konstantflussabschnitt 420 dient dazu, die Geschwindigkeit des Ankers 60 vor dem Auftreffen auf dem magnetischen Joch 70 auf einen Wert abfallen zu lassen, der einen möglichst geringen Verschleiß der Aktuatorteile des Aktuators 10 sicherstellt. Im zweiten Konstantflussabschnitt 420 ist der konstante Sollfluss Φconst2 vorzugsweise kleiner als der dritte konstante Sollfluss Φconst3, mit dem sich der Anker 60 in seiner Endlage auf dem Joch 70 halten lässt.
Das Umschalten der Konstantflussregelung für den Übergang von dem ersten Konstantflussabschnitt 410 in den zweiten Konstantflussabschnitt 420 erfolgt vorzugsweise, wenn der Anker 60 zum Zeitpunkt te seine Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht hat. Die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erkennt der Mikrocontroller 110 vorzugsweise anhand des Positionsdatensatzes POS.
Das Umschalten der Konstantflussregelung für den Übergang von dem zweiten Konstantflussabschnitt 420 in den dritten Konstantflussabschnitt 430 erfolgt vorzugsweise, wenn der Anker zum Zeitpunkt te seine Ankerendstellung Xe erreicht hat. Die Ankerendstellung Xe erkennt der Mikrocontroller 110 vorzugsweise anhand des Positionsdatensatzes POS, der in dem Speicher 120 der Steuereinrichtung 100 abgespeichert ist, in Abhängigkeit von den Durchflutungswerten Θ(t) und den magnetischen Flusswerten Φist(t), also beispielsweise in gleicher Weise, wie er in Abhängigkeit von den Durchflutungswerten Θ(t) und den magnetischen Flusswerten Φist(t) die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc bestimmt. Bezüglich der Erkennung der Ankerendstellung Xe gelten die obigen Erläuterungen also entsprechend.
Alternativ kann die Steuereinrichtung 100 bzw. deren Mikrocontroller 110 die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc und/oder die Ankerendstellung Xe auch wie folgt bestimmen:
Zunächst wird für den jeweils ermittelten Durchflutungswert Θ(t) und für den jeweils ermittelten Flusswert ΦIst(t) aus dem Positionsdatensatz POS der jeweils passende oder annähernd passende Positionswert X(t) des Ankers 60 ausgelesen. Mit der zeitabhängigen Positionsangabe wird eine zeitabhängige Beschleunigungsangabe a(t) ermittelt gemäß
und es wird jeweils auf das Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc oder der Ankerendstellung Xe geschlossen, wenn der Betrag |a(t)| der zeitabhängigen Beschleunigungsangabe a(t) einen vorgegebenen Schwellenwert M erreicht oder überschreitet, also wenn gilt: |a(t)| ≥ M
Im Übrigen gelten die obigen Erläuterungen bezüglich der Arbeitsweise der Steuereinrichtung 100 und deren Mikrocontroller 110 entsprechend.
Die 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Aktuator 10 und einen elektrischen Schalter 20, bei der eine Steuereinrichtung 100 des Aktuators 10 eine Regelung des Flusswertes Φist(t) des magnetischen Flusses durch das Joch 70 und dem zugeordneten beweglichen Anker 60 hervorruft. Die Anordnung gemäß 5 entspricht von dem Aufbau her im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit dem Unterschied, dass zum Messen des Flusswertes Φist(t) keine Hilfsspule vorgesehen ist, sondern ein Hall-Sensor 500, der mit der Steuereinrichtung 100 und dem Mikrocontroller 110 verbunden ist. Der Hall-Sensor 500 erzeugt ein Messsignal S(t), das vom Hall-Sensor 500 zur Steuereinrichtung 100 und zum Mikrocontroller 110 übermittelt wird. Anhand des Messsignals S(t) kann der Mikrocontroller 110 den magnetischen Fluss im magnetischen Joch 70 bzw. den magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung 80 ermitteln und den Strom I(t) durch die Erregerwicklung 80 derart einstellen, dass der magnetische Fluss in der Erregerwicklung 80 bzw. im magnetischen Joch 70 im zeitlichen Verlauf einer vorgegebenen Sollflusskurve entspricht, wie dies beispielhaft im Zusammenhang mit den 2 bis 4 oben gezeigt worden ist.
Zusammengefasst unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß 5 von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 somit lediglich in der Erfassung des Flusswertes Φist(t) des magnetischen Flusses, der durch die Erregerwicklung 80, das magnetische Joch 70 und den Anker 60 fließt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: elektromagnetischer Antrieb / Aktuator
20: Schalter
21: beweglicher Schaltkontakt
21a: Schaltkontakt in geschlossener Position / Endstellung
22: feststehender Schaltkontakt
30: Antriebsstange
40: Federeinrichtung
50: weitere Antriebsstange
60: Anker
61: Anker in geschlossener Stellung / Endstellung
70: Joch
80: Erregerwicklung
100: Steuereinrichtung
110: Mikrocontroller
120: Speicher
200: Hilfsspule
300: Anstiegsrampenabschnitt
310: erster Konstantflussabschnitt
320: zweiter Konstantflussabschnitt
400: Anstiegsrampenabschnitt
410: erster Konstantflussabschnitt
420: zweiter Konstantflussabschnitt
430: dritter Konstantflussabschnitt
500: Hall-Sensor
I(t): Spulenstrom
P: Schieberichtung
POS: Positionsdatensatz
S(t): Messsignal
t: Zeit
tc: Zeitpunkt
te: Zeitpunkt
Uh(t): Spannung
X: Ankerposition
Xa: Ausgangsstellung
Xc: Kontaktaufschlag-Ankerposition
Xe: Ankerendstellung
X(t): zeitabhängige Positionsangabe
Φist(t): Flusswert
Φ(t): Flusswert
Φconst1: Sollfluss
Φconst2: Sollfluss
Φconst3: Sollfluss
Θ: Durchflutung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011083282 B3 [0002]
DE 19544207 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schalters (20) mit zumindest einem beweglichen Schaltkontakt, der von einem beweglichen Anker (60) eines elektromagnetischen Aktuators (10) zum Ein- und Ausschalten des Schalters (20) bewegt wird, – wobei zwischen dem beweglichen Schaltkontakt und dem Anker (60) eine Federeinrichtung (40) angeordnet ist und – wobei zum Bewegen des Ankers (60) von einer vorgegebenen Ausgangsstellung (Xa), in der die Schaltkontakte geöffnet sind, in eine vorgegebene Ankerendstellung (Xe), in der die Schaltkontakte geschlossen sind und Federenergie in der Federeinrichtung (40) gespeichert ist, ein magnetischer Fluss in einer Erregerwicklung (80) des Aktuators (10) erzeugt wird, indem in die Erregerwicklung (80) ein Erregerstrom (I(t)) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung (80) oder eine mit dem magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung (80) korrelierende Flussgröße unter Bildung eines Flusswertes (Φist(t)) ermittelt wird, – die magnetische Durchflutung in der Erregerwicklung (80) unter Berücksichtigung zumindest des durch die Erregerwicklung (80) fließenden Erregerstromes (I(t)) und der Windungszahl der Erregerwicklung (80) unter Bildung eines Durchflutungswertes (Θ(t)) ermittelt wird und – unter Berücksichtigung eines Positionsdatensatzes (POS), der die jeweilige Ankerposition in Abhängigkeit von Durchflutungswerten und Flusswerten angibt, diejenige Ankerposition – nachfolgend Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) genannt – bestimmt wird, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker (60) seine Ankerendstellung (Xe) erreicht, – wobei zum Bewegen des Ankers (60) von der Ausgangsstellung (Xa) in die Endstellung der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung (80) geregelt wird, und zwar derart, dass der Verlauf des Flusswertes (Φist(t)) – in zumindest einem Zeitabschnitt, bevor der Anker (60) seine Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) erreicht – einen fest vorgegebenen Sollflussverlauf aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung (80) in dem zumindest einen Zeitabschnitt, bevor der Anker (60) seine Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) erreicht, mittels einer Konstantflussregelung auf einen vorgegebenen konstanten Sollfluss (Φconst1) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – aus dem Positionsdatensatz (POS) für den konstanten Sollfluss (Φconst1) ein Durchflutungswert-Ankerpositionsverlauf (Θa(X)) ausgelesen wird, der die Ankerposition in Abhängigkeit von der jeweiligen Durchflutung für den konstanten Sollfluss (Φconst1) angibt, und – die Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) zumindest auch anhand des Durchflutungswert-Ankerpositionsverlaufs Θa(X) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 2–3, dadurch gekennzeichnet, dass – aus dem Positionsdatensatz (POS) oder dem Durchflutungswert-Ankerpositionsverlauf Θa(X) für den konstanten Sollfluss (Φconst1) ein Anschlagsdurchflutungswert (Θa(Xc)) ausgelesen wird, für den der Anker (60) seine Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) erreicht, und – die Bestimmung der Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) zumindest auch anhand des Anschlagsdurchflutungswerts Θa(Xc) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Konstantflussregelung beendet oder auf einen anderen Sollfluss (Φconst2) umgeschaltet wird, sobald der Anker (60) seine Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) erreicht hat, – indem der magnetische Fluss durch Reduktion des durch die Erregerwicklung (80) fließenden Erregerstromes (I(t)) herabgesetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantflussregelung beendet oder auf einen anderen Sollfluss (Φconst2) umgeschaltet wird, sobald der Durchflutungswert (Θ(t)) dem Anschlagsdurchflutungswert (Θa(t)) gleicht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der für den jeweils ermittelten Durchflutungswert (Θ(t)) und für den jeweils ermittelten Flusswert (Φist(t)) aus dem Positionsdatensatz (POS) der jeweils passende oder annähernd passende Positionswert ausgelesen wird und – die Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) anhand der Positionswerte erkannt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – aus dem Positionsdatensatz (POS) der Bewegungsverlauf des Ankers (60) unter Ermittlung einer zeitabhängigen Positionsangabe (X(t)) ermittelt wird, – mit der zeitabhängigen Positionsangabe (X(t)) eine zeitabhängige Beschleunigungsangabe (a(t)) ermittelt wird und – auf das Erreichen der Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) geschlossen wird, wenn der Betrag (|a(t)|) der zeitabhängigen Beschleunigungsangabe (a(t)) einen vorgegebenen Schwellenwert (M) erreicht oder überschreitet.
Elektrischer Schalter (20) mit zumindest einem beweglichen Schaltkontakt, der von einem beweglichen Anker (60) eines elektromagnetischen Aktuators (10) zum Ein- und Ausschalten des Schalters (20) bewegt wird, – wobei zwischen dem beweglichen Schaltkontakt und dem Anker (60) eine Federeinrichtung (40) angeordnet ist, und – wobei zum Bewegen des Ankers (60) von einer vorgegebenen Ausgangsstellung (Xa), in der die Schaltkontakte geöffnet sind, in eine vorgegebene Ankerendstellung (Xe), in der die Schaltkontakte geschlossen sind und Federenergie in der Federeinrichtung (40) gespeichert ist, ein magnetischer Fluss in einer Erregerwicklung (80) des Aktuators (10) erzeugt wird, indem in die Erregerwicklung (80) ein Erregerstrom (I(t)) eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schalter (20) eine Steuereinrichtung (100) aufweist, die diejenige Ankerposition – nachfolgend Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) genannt – bestimmt, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker (60) seine Ankerendstellung (Xe) erreicht, – wobei die Steuereinrichtung (100) derart ausgestaltet ist, dass sie den magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung (80) oder eine mit dem magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung (80) korrelierende Flussgröße unter Bildung eines Flusswertes (Φist(t)) ermittelt, – wobei die Steuereinrichtung (100) derart ausgestaltet ist, dass sie die magnetische Durchflutung in der Erregerwicklung (80) unter Berücksichtigung zumindest des durch die Erregerwicklung (80) fließenden Erregerstromes (I(t)) und der Windungszahl (W) der Erregerwicklung (80) unter Bildung eines Durchflutungswertes (Θ(t)) ermittelt und – wobei die Steuereinrichtung (100) derart ausgestaltet ist, dass sie unter Berücksichtigung eines in einem Speicher (120) der Steuereinrichtung (100) abgespeicherten Positionsdatensatzes (POS), der die jeweilige Ankerposition in Abhängigkeit von Durchflutungswerten und Flusswerten angibt, die Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) bestimmt.
Schalter (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) derart ausgestaltet ist, dass sie zum Bewegen des Ankers (60) von der Ausgangsstellung (Xa) in die Ankerendstellung (Xe) den magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung (80) mittels einer Konstantflussregelung in zumindest einem Zeitabschnitt, bevor der Anker (60) seine Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) erreicht, auf einen konstanten Sollfluss regelt.
Schalter (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (100) derart ausgestaltet ist, dass sie die Konstantflussregelung abschaltet oder auf einen anderen Sollfluss (Φconst2) umschaltet, sobald der Anker (60) seine Kontaktaufschlag-Ankerposition (Xc) erreicht, und den magnetischen Fluss durch Reduktion des durch die Erregerwicklung (80) fließenden Erregerstromes (I(t)) herabsetzt.
Schalter (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuereinrichtung (100) einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller sowie den Speicher aufweist, in dem der Positionsdatensatz (POS) gespeichert ist, und – der Mikroprozessor oder der Mikrocontroller derart programmiert ist, dass er eines der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 durchführen kann.