DE102014208014A1 - Elektrischer Schalter mit elektromagnetischem Aktuator - Google Patents
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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 gemäß1 den magnetischen Fluss regeln kann, -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Sollflusskurve, auf die die Steuereinrichtung gemäß1 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 Antriebs10 für einen elektrischen Schalter20 ; bei dem Schalter20 kann es beispielsweise um einen elektrischen Leistungsschalter handeln. Der elektrische Schalter20 umfasst einen beweglichen Schaltkontakt21 sowie einen feststehenden Schaltkontakt22 . - Der bewegliche Schaltkontakt
21 steht mit einer Antriebsstange30 des elektromagnetischen Antriebs10 in Verbindung, die mit einer Federeinrichtung40 zusammenwirkt. An die Federeinrichtung40 ist außerdem eine weitere Antriebsstange50 angekoppelt, die mit einem beweglichen Anker60 des elektromagnetischen Antriebs10 verbunden ist. - Der Anker
60 kann entlang einer vorgegebenen Schieberichtung P eine Hubbewegung ausführen und sich dabei in Richtung eines Jochs70 des Antriebs10 bewegen. Die1 zeigt den Anker60 mit durchgezogenen Linien in einer geöffneten Position (nachfolgend auch Ausgangsposition genannt), in der er von dem Joch70 getrennt ist. In der geöffneten Position des Ankers60 befindet sich der bewegliche Schaltkontakt21 in einer geöffneten Position, die in der1 ebenfalls mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Mit gestrichelten Linien sowie mit den Bezugszeichen61 und21a sind die geschlossene Position (nachfolgend auch Endstellung genannt) des Ankers60 , in der dieser auf dem magnetischen Joch70 aufliegt, und die geschlossene Position des beweglichen Schaltkontakts gezeigt. - Die Funktion der Federeinrichtung
40 besteht unter anderem darin, im geschlossenen Zustand des Schalters20 eine vorgegebene Kontaktandruckkraft bereitzustellen; bei dem Ausführungsbeispiel gemäß1 wird die Federeinrichtung40 die weitere Antriebsstange50 in der1 nach oben drücken, so dass der Anker60 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 Anker60 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 Ankers60 ist in der1 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 Antrieb10 geschlossen werden, so wird in die Erregerwicklung80 mittels einer Steuereinrichtung100 ein Strom I(t) eingespeist, der einen magnetischen Fluss innerhalb der Erregerwicklung hervorruft und den Anker60 entgegen der Federkraft der Federeinrichtung40 in seine geschlossene Position bringt. Die Steuereinrichtung100 umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller110 , 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 Anker60 die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht; dieser Zeitpunkt wird nachfolgend Aufschlagszeitpunkt genannt. Besonders bevorzugt wird der magnetische Fluss durch die Erregerwicklung80 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 Hilfsspule200 in Verbindung, die das magnetische Joch70 umgibt und von demselben magnetischen Fluss durchflossen wird wie die Erregerwicklung80 . Die Steuereinrichtung100 bzw. deren Mikrocontroller110 misst die an der Hilfsspule200 abfallende elektrische Spannung Uh(t) unter Bildung eines Spulenspannungsmesswerts und ermittelt mit diesem unter Berücksichtigung des Induktionsgesetzes:Uh(t) = N·dΦist(t)/dt 80 und die Hilfsspule200 durchsetzt; in der Formel bezeichnet N die Wicklungsanzahl der Hilfsspule200 , Uh(t) die an der Hilfsspule200 abfallende Spannung und t die Zeit. - Unter Berücksichtigung des jeweiligen Flusswertes Φist(t) steuert der Mikrocontroller
110 der Steuereinrichtung100 den Strom I(t) durch die Erregerwicklung80 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 Ankers60 anfangs unabhängig von dessen tatsächlichen Bewegungsparametern, sondern ausschließlich anhand des Flusswertes Φist(t) des magnetischen Flusses, der die Erregerwicklung80 und die Hilfsspule200 durchsetzt, und zwar solange, bis der Anker60 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 Steuereinrichtung100 während der Ankerbewegung zusätzlich die magnetische Durchflutung in der Erregerwicklung80 , beispielsweise unter Berücksichtigung des durch die Erregerwicklung fließenden Erregerstromes I(t) und der Windungszahl W der Erregerwicklung80 unter Bildung eines Durchflutungswertes Θ(t), vorzugsweise gemäßΘ(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 Steuereinrichtung100 abgespeichert ist und die jeweilige Ankerposition X in Abhängigkeit von Durchflutungswerten Θ(t) und den magnetischen Flusswerten Φist(t) angibt, kann der Mikrocontroller110 die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc bestimmen, bei der die Schaltkontakte während des Schließvorgangs aufeinander treffen, bevor der Anker60 seine Ankerendstellung erreicht. - Ein Ausführungsbeispiel für eine Kennlinienschar, die den Positionsdatensatz POS im Speicher
120 der Steuereinrichtung100 bilden kann, ist beispielhaft in der4 gezeigt. Man erkennt eine Vielzahl an Funktionsverläufen der FormΦ = f(Θ) 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 Steuereinrichtung80 bzw. deren Mikrocontroller110 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 Steuereinrichtung80 bzw. deren Mikrocontroller110 wiederum den Anschlagsdurchflutungswert Θa(Xc) auslesen, für den der Anker60 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 Anker60 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 Mikrocontroller110 zur Ansteuerung der Erregerwicklung80 einstellen kann. Man erkennt, dass die Flusskurve gemäß2 einen Anstiegsrampenabschnitt300 aufweist, in dem die Flusswerte Φ(t) von 0 auf einen vorgegebenen Rampenendwert vorzugsweise linear ansteigen. - An den Anstiegsrampenabschnitt
300 schließt sich ein erster Konstantflussabschnitt310 an, in dem mittels Konstantflussregelung der magnetische Fluss einen ersten konstanten Sollfluss Φconst1 aufweist. Der erste Konstantflussabschnitt310 dient dazu, in der Anfangsphase der Beschleunigung des beweglichen Ankers60 besonders große Beschleunigungskräfte hervorzurufen, um die Geschwindigkeit des Ankers60 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 Ankers60 in der Ankerendstellung geeignet ist. Es ergibt sich ein zweiter Konstantflussabschnitt, der in der2 mit dem Bezugszeichen320 gekennzeichnet ist. - Die
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Flusskurve mit Flusswerten Φ(t) über der Zeit t, die der Mikrocontroller110 zur Ansteuerung der Erregerwicklung80 einstellen kann. Man erkennt einen Anstiegsrampenabschnitt400 , einen ersten Konstantflussabschnitt410 mit einem ersten konstanten Sollfluss Φconst1, einen zweiten Konstantflussabschnitt420 mit einem zweiten konstanten Sollfluss Φconst2 und einen dritten Konstantflussabschnitt430 mit einem dritten konstanten Sollfluss Φconst3. - Der zweite Konstantflussabschnitt
420 wirkt als Bremsabschnitt und liegt zeitlich zwischen dem als Beschleunigungsabschnitt wirkenden ersten Konstantflussabschnitt410 und dem zum Halten des Ankers60 in der Ankerendstellung geeigneten dritten Konstantflussabschnitt430 . Der zweite Konstantflussabschnitt420 dient dazu, die Geschwindigkeit des Ankers60 vor dem Auftreffen auf dem magnetischen Joch70 auf einen Wert abfallen zu lassen, der einen möglichst geringen Verschleiß der Aktuatorteile des Aktuators10 sicherstellt. Im zweiten Konstantflussabschnitt420 ist der konstante Sollfluss Φconst2 vorzugsweise kleiner als der dritte konstante Sollfluss Φconst3, mit dem sich der Anker60 in seiner Endlage auf dem Joch70 halten lässt. - Das Umschalten der Konstantflussregelung für den Übergang von dem ersten Konstantflussabschnitt
410 in den zweiten Konstantflussabschnitt420 erfolgt vorzugsweise, wenn der Anker60 zum Zeitpunkt te seine Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erreicht hat. Die Kontaktaufschlag-Ankerposition Xc erkennt der Mikrocontroller110 vorzugsweise anhand des Positionsdatensatzes POS. - Das Umschalten der Konstantflussregelung für den Übergang von dem zweiten Konstantflussabschnitt
420 in den dritten Konstantflussabschnitt430 erfolgt vorzugsweise, wenn der Anker zum Zeitpunkt te seine Ankerendstellung Xe erreicht hat. Die Ankerendstellung Xe erkennt der Mikrocontroller110 vorzugsweise anhand des Positionsdatensatzes POS, der in dem Speicher120 der Steuereinrichtung100 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 Mikrocontroller110 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 Ankers60 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 Mikrocontroller110 entsprechend. - Die
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Aktuator10 und einen elektrischen Schalter20 , bei der eine Steuereinrichtung100 des Aktuators10 eine Regelung des Flusswertes Φist(t) des magnetischen Flusses durch das Joch70 und dem zugeordneten beweglichen Anker60 hervorruft. Die Anordnung gemäß5 entspricht von dem Aufbau her im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß1 mit dem Unterschied, dass zum Messen des Flusswertes Φist(t) keine Hilfsspule vorgesehen ist, sondern ein Hall-Sensor500 , der mit der Steuereinrichtung100 und dem Mikrocontroller110 verbunden ist. Der Hall-Sensor500 erzeugt ein Messsignal S(t), das vom Hall-Sensor500 zur Steuereinrichtung100 und zum Mikrocontroller110 übermittelt wird. Anhand des Messsignals S(t) kann der Mikrocontroller110 den magnetischen Fluss im magnetischen Joch70 bzw. den magnetischen Fluss durch die Erregerwicklung80 ermitteln und den Strom I(t) durch die Erregerwicklung80 derart einstellen, dass der magnetische Fluss in der Erregerwicklung80 bzw. im magnetischen Joch70 im zeitlichen Verlauf einer vorgegebenen Sollflusskurve entspricht, wie dies beispielhaft im Zusammenhang mit den2 bis4 oben gezeigt worden ist. - Zusammengefasst unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß
5 von dem Ausführungsbeispiel gemäß1 somit lediglich in der Erfassung des Flusswertes Φist(t) des magnetischen Flusses, der durch die Erregerwicklung80 , das magnetische Joch70 und den Anker60 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
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- DE 19544207 A1 [0003]
Claims (12)
- 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.
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