DE102015122241A1

DE102015122241A1 - Elektromagnetischer Aktuator und Anwendungsverfahren

Info

Publication number: DE102015122241A1
Application number: DE102015122241.8A
Authority: DE
Inventors: Vandana Rallabandi; Srinivas Satya Sai Mallampalli; Bhide Ravindra Shyam
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US9514872B2; CN105720777A; US20160181049A1; CN105720777B

Abstract

Ein elektromagnetischer Aktuator (102) enthält einen Stößel (202), einen Anker (204, 206) und eine Spule (210). Der Stößel ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar. Der Anker enthält einen ersten Ankerabschnitt (206), der nahe an der ersten Position angeordnet ist, und einen zweiten Ankerabschnitt (204), der nahe an der zweiten Position angeordnet ist. Die Spule ist nahe bei dem ersten Ankerabschnitt angeordnet und ist eingerichtet, um bei einer Erregung ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld veranlasst den Stößel, sich aufgrund eines Magnetflusses durch einen magnetischen Kreis (304) in Richtung auf die erste Position zu bewegen. Der magnetische Kreis enthält den ersten Ankerabschnitt, den Stößel, einen Hauptluftspalt (306, 308) und einen variablen Luftspalt (310). Der Hauptluftspalt und der variable Luftspalt sind zwischen dem ersten Ankerabschnitt und dem Stößel definiert. Der Hauptluftspalt verringert sind, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt. Der variable Luftspalt vergrößert sich, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung betrifft allgemein elektromagnetische Aktuatoren und insbesondere einen elektromagnetischen Aktuator mit mehreren Luftspalten und Polformung sowie ein Anwendungsverfahren.
Die meisten bekannten elektromagnetischen Aktuatoren setzen elektrische Leistung in magnetische Kraft zur Bewegung eines Schubstiftes um. Der Schubstift ist mit einem Stößel gekoppelt, der sich innerhalb eines Hohlraums in dem Aktuator, im Allgemeinen innerhalb einer Führungsstruktur, frei bewegt. Ein Strom strömt durch eine Spule in dem elektromagnetischen Aktuator hindurch und erzeugt ein elektromagnetisches Feld und insbesondere einen elektromagnetischen Fluss.
Bei vielen dieser bekannten elektromagnetischen Aktuatoren dienen bestimmte Oberflächen des Stößels als Pole, die zu dem elektromagnetischen Fluss hin angezogen werden, wodurch der Stößel in Richtung auf die Spule gezogen wird. Es wird ein Magnetflusskreis rings um die Spule durch den Stößel, die Pole und einen Anker gebildet. Ein Luftspalt zwischen den Polen und dem Anker bestimmt die magnetische Kraft, mit der der Stößel in Richtung auf die Spule gezogen wird. Der Luftspalt ist ein Bereich mit hohem magnetischen Widerstand, der Luft, ein Vakuum oder ein anderes nichtmagnetisches Material sein kann. Der Schubstift überträgt die magnetische Kraft auf ein externes Objekt. Wenn der Stößel eine stabile Position erreicht, wird der Stößel durch einen oder mehrere Permanentmagnete in Stellung verriegelt.
Derartige bekannte elektromagnetische Aktuatoren ersetzen häufig mechanische Federmechanismen in verschiedenen Anwendungen. Eine Kraft-Hub-Beziehung, die häufig als eine Kraft-Hub-Kennlinie dargestellt wird, für eine Feder erfüllt z.B. nicht immer die Anforderungen einer gegebenen Anwendung und, ohne Beschränkung, eines Vakuumschutzschalters. Elektromagnetische Aktuatoren haben eine Kraft-Hub-Beziehung, die mit den mechanischen Eigenschaften von Vakuumschutzschaltern übereinstimmen. Elektromagnetische Aktuatoren sind auch zu geringeren Kosten verfügbar, erfordern weniger Instandhaltung, haben einen reduzierten Platzbedarf und längere Haltbarkeit. Jedoch verlangen bestimmte Anwendungen, z.B. bestimmte Vakuumschutzschalter, eindeutige Kraft-Hub-Beziehungen, die von der Hubrichtung abhängen. Für Vakuumschutzschalter sind eine Kraft-Hub-Schließkennlinie und eine Kraft-Hub-Öffnungskennlinie häufig verschieden. Außerdem nutzen einige Vakuumschutzschalter auch einen Federeffekt der Kontakte selbst, um eine gewünschte Kraft-Hub-Kennlinie zu erreichen.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt ist ein elektromagnetischer Aktuator geschaffen. Der elektromagnetische Aktuator enthält einen Stößel, einen ersten Ankerabschnitt, einen zweiten Ankerabschnitt und eine Spule. Der Stößel ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar. Der erste Ankerabschnitt ist nahe an der ersten Position angeordnet, und der zweite Ankerabschnitt ist nahe an der zweiten Position angeordnet. Die Spule ist nahe bei dem ersten Ankerabschnitt angeordnet und ist eingerichtet, um, wenn sie erregt wird, ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld veranlasst den Stößel, sich aufgrund eines Magnetflusses durch einen magnetischen Kreis in Richtung auf die erste Position zu bewegen. Der magnetische Kreis enthält den ersten Ankerabschnitt, den Stößel, einen ersten Luftspalt und einen zweiten Luftspalt. Der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt sind wenigstens teilweise durch den ersten Ankerabschnitt und den Stößel definiert. Der erste Luftspalt verringert sich, während sich der Kolben zu der ersten Position hin bewegt. Der zweite Luftspalt vergrößert sich, während sich der Kolben zu der ersten Position hin bewegt.
Der zuvor erwähnte elektromagnetische Aktuator kann ferner mehrere Permanentmagnete aufweisen, die in dem Stößel angeordnet und eingerichtet sind, um den Stößel zu verriegeln, wenn er sich in der ersten Position befindet und wenn er sich in der zweiten Position befindet.
In einer Ausführungsform kann der elektromagnetische Aktuator ferner eine zweite Spule aufweisen, die nahe bei dem zweiten Ankerabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite Spule eingerichtet sein kann, um bei einer Erregung ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, das den Stößel veranlasst, sich in Richtung auf die zweite Position zu bewegen, wobei die zweite Spule ferner eingerichtet sein kann, um einen zweiten Magnetfluss durch einen zweiten magnetischen Kreis hindurch zu erzeugen. Der zweite magnetische Kreis kann den zweiten Ankerabschnitt, den Stößel und einen dritten Luftspalt aufweisen, der wenigstens teilweise durch den zweiten Ankerabschnitt und den Stößel definiert ist, wobei der dritte Luftspalt eingerichtet sein kann, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der zweiten Position hin bewegt.
In dem elektromagnetischen Aktuator einer beliebigen vorstehend erwähnten Art können der Stößel und der erste Ankerabschnitt mit mehreren Polen gekoppelt sein, die angeordnet sind, um wenigstens teilweise den ersten Luftspalt und den zweiten Luftspalt zu definieren.
Außerdem können der Stößel, der erste Ankerabschnitt und die mehreren Pole ein ferromagnetisches Material aufweisen.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten elektromagnetischen Aktuator kann der zweite Luftspalt ein nicht eisenhaltiges Material aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann sich der erste Luftspalt mit der gleichen Geschwindigkeit verringern, wie sich der zweite Luftspalt vergrößert, was eine Nettoveränderung von null in dem ersten Magnetfluss durch den magnetischen Kreis hervorruft.
In weiteren Ausführungsformen kann der erste Luftspalt eine Länge zwischen dem ersten Ankerabschnitt und dem Stößel definieren, wobei die Länge eingerichtet sein kann, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.
In noch weiteren Ausführungsformen kann der zweite Luftspalt einen Querschnitt des Stößels und des ersten Ankerabschnitts definieren, wobei der Querschnitt eingerichtet sein kann, um sich zu vergrößern, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.
In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Aktuators geschaffen. Das Verfahren enthält ein Verriegeln eines Stößels in einer Position. Das Verfahren enthält ferner ein Erregen einer ersten Spule, um einen ersten Magnetfluss zu erzeugen. Der Magnetfluss fließt durch den Stößel, einen ersten Ankerabschnitt, einen ersten Luftspalt und einen zweiten Luftspalt. Das Verfahren enthält ferner ein Erzeugen einer elektromotorischen Kraft, die dem ersten Magnetfluss entspricht. Die elektromotorische Kraft wird auf den Stößel angewandt, wodurch der Stößel veranlasst wird, sich in Richtung auf den ersten Ankerabschnitt zu bewegen. Das Verfahren enthält ferner ein Reduzieren einer Länge des ersten Luftspalts und ein Vergrößern eines Querschnitts des variablen Luftspaltes, um die elektromotorische Kraft auf den Stößel zu regulieren.
In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Verriegeln des Stößels ein Verwenden wenigstens eines Permanentmagneten in dem Stößel, um den Stößel an einem zweiten Anker zu verriegeln, aufweisen.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Erregen der ersten Spule zur Erzeugung des ersten Magnetflusses ein Erzeugen des ersten Magnetflusses wenigstens teilweise als eine Funktion einer Größe des zweiten Luftspaltes aufweisen, wobei der zweite Luftspalt wenigstens teilweise durch den Stößel und den ersten Ankerabschnitt definiert ist.
Zusätzlich kann das Vergrößern des Querschnitts des zweiten Luftspaltes ein lineares Verschieben des Stößels senkrecht zu einer Längendimension zwischen dem Stößel und dem ersten Ankerabschnitt aufweisen.
In weiteren Ausführungsformen kann das Erregen der ersten Spule ein Anlegen einer Spannung an die erste Spule aufweisen.
Das Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann ferner ein Verriegeln des Stößels in einer zweiten Position, Erregen einer zweiten Spule, um einen zweiten Magnetfluss durch den Stößel, einen zweiten Ankerabschnitt und einen dritten Luftspalt hindurch zu erzeugen, wobei der dritte Luftspalt wenigstens teilweise durch den zweiten Ankerabschnitt und den Stößel definiert ist, Erzeugen einer zweiten elektromotorischen Kraft, die dem zweiten Magnetfluss entspricht, auf den Stößel, wodurch der Stößel veranlasst wird, sich linear in Richtung auf den zweiten Ankerabschnitt zu bewegen, und Reduzieren einer Länge des dritten Luftspalts, um die zweite elektromotorische Kraft auf den Stößel zu regulieren, aufweisen.
In einem noch weiteren Aspekt ist ein Vakuumschutzschalter geschaffen. Der Vakuumschutzschalter enthält einen ersten Kontakt, einen zweiten Kontakt und einen elektromagnetischen Aktuator. Der zweite Kontakt ist eingerichtet, um sich zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position zu verschieben, in der der zweite Kontakt ferner eingerichtet ist, um mit dem ersten Kontakt in Eingriff zu stehen. Der elektromagnetische Aktuator enthält einen Stößel, einen ersten Anker, einen zweiten Anker und eine Öffnungsspule. Der Stößel enthält wenigstens einen Permanentmagneten und ist mit dem zweiten Kontakt gekoppelt. Der Stößel ist zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position bewegbar. Der erste Anker ist nahe an der geschlossenen Position angeordnet. Der zweite Anker ist nahe an der offenen Position angeordnet. Die Öffnungsspule ist nahe bei dem zweiten Anker angeordnet. Die Öffnungsspule ist eingerichtet, um bei Erregung ein öffnendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Stößel veranlasst, sich in Richtung auf die offene Position zu bewegen. Die Öffnungsspule ist ferner eingerichtet, um einen öffnenden Magnetfluss durch einen öffnenden magnetischen Kreis hindurch zu erzeugen. Der öffnende magnetische Kreis enthält den zweiten Anker, den Stößel, einen ersten Luftspalt und einen zweiten Luftspalt. Der erste Luftspalt und der zweite Luftspalt sind wenigstens teilweise durch den zweiten Luftspalt und den Stößel definiert. Der erste Luftspalt ist eingerichtet, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der offenen Position hin bewegt. Der zweite Luftspalt ist eingerichtet, um sich zu vergrößern, während sich der Stößel zu der offenen Position hin bewegt. Der Stößel bewegt sich zu der offenen Position mit einer Öffnungskraft, die dem ersten Luftspalt und dem zweiten Luftspalt entspricht.
In dem zuvor erwähnten Vakuumschutzschalter kann der öffnende magnetische Kreis ferner den wenigstens einen Permanentmagneten aufweisen, der in dem Stößel angeordnet ist.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Öffnungskraft mit einer Verschiebung des Stößels von der geschlossenen Position aus linear variieren.
In einer Ausführungsform des Vakuumschutzschalters kann der elektromagnetische Aktuator ferner eine Schließspule aufweisen, die nahe bei dem zweiten Anker angeordnet ist, wobei die Schließspule eingerichtet ist, um bei einer Erregung ein schließendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Stößel veranlasst, sich in Richtung auf die geschlossene Position zu bewegen, wobei die Schließspule ferner eingerichtet ist, um einen schließenden Magnetfluss durch einen schließenden magnetischen Kreis hindurch zu erzeugen. Der schließende magnetische Kreis kann den zweiten Anker, den Stößel und einen dritten Luftspalt aufweisen, der wenigstens teilweise durch den zweiten Anker und den Stößel definiert ist, wobei der dritte Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der geschlossenen Position hin mit einer Schließkraft bewegt, wobei die Schließkraft wenigstens teilweise eine Funktion des dritten Luftspalt ist.
Außerdem kann die Öffnungsspule weniger Windungen als die Schließspule aufweisen.
ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile darstellen, worin zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines beispielhaften Vakuumschutzschalters;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines beispielhaften elektromagnetischen Aktuators, der bei dem in 1 veranschaulichten Vakuumschutzschalter verwendet werden kann, veranschaulicht in einer stabilen Position;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines beispielhaften elektromagnetischen Aktuators, der bei dem in 1 veranschaulichten Vakuumschutzschalter verwendet werden kann, veranschaulicht in einer weiteren stabilen Position; und
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betätigen eines elektromagnetischen Aktuators, wie er in den 2 und 3 veranschaulicht ist.
Sofern nicht anders angegeben, sind die hierin gelieferten Zeichnungen dazu gedacht, Merkmale von Ausführungsformen dieser Offenbarung zu veranschaulichen. Diese Merkmale werden als in sehr vielfältigen Systemen anwendbar angesehen, zu denen eine oder mehrere Ausführungsformen dieser Offenbarung gehören. An sich sind die Zeichnungen nicht dazu gedacht, alle herkömmlichen, für Fachleute auf dem Gebiet bekannten Merkmale zu umfassen, die erforderlich sind, um die hierin offenbarten Ausführungsformen auszuführen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird auf einige Begriffe Bezug genommen, die die folgende Bedeutung haben.
Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ umfassen mehrfache Bezugnahmen, sofern aus dem Zusammenhang nicht deutlich etwas anderes hervorgeht.
„Optional“ oder „wahlweise“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand eintreten kann oder nicht und dass die Beschreibung Fälle umfasst, bei denen das Ereignis eintritt, sowie Fälle, bei denen es nicht eintritt.
Eine näherungsweise Sprache, wie sie hierin über die gesamte Beschreibung und die Ansprüche hinweg verwendet wird, kann verwendet werden, um eine quantitative Darstellung zu modifizieren, die möglicherweise variieren könnte, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion, mit der sie verbunden ist, zu führen. Demgemäß soll ein Wert, der durch einen Ausdruck oder durch Ausdrücke wie beispielsweise „etwa“, „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ modifiziert ist, nicht auf den genauen spezifizierten Wert beschränkt werden. In wenigstens einigen Fällen kann die näherungsweise Sprache der Genauigkeit eines Instrumentes zur Messung des Wertes entsprechen. Hier und in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen können Bereichsbegrenzungen kombiniert und/oder ausgetauscht werden, wobei solche Bereiche identifiziert sind und alle darin enthaltenen Teilbereiche umfassen, sofern der Zusammenhang oder die Sprache nicht was anderes anzeigt.
Die hierin beschriebenen elektromagnetischen Aktuatoren ermöglichen eine einzigartige Polformung, die eindeutige Kraft-Hub-Beziehungen in Abhängigkeit von der Hubrichtung unterstützt. Insbesondere enthalten die hierin beschriebenen Ausführungsformen von elektromagnetischen Aktuatoren mehrere Luftspalte zur Speicherung magnetischer Energie. Polformung ist ein Prozess, mit dem Oberflächen des elektromagnetischen Aktuatorstößels und des Ankers, die einen Luftspalt definieren, eingerichtet werden, um einen bestimmten Luftspalt auszubilden. Ein oder mehrere der mehreren Luftspalte können bei dem Hub variieren, was individuelle Kraft-Hub-Beziehungen ermöglicht. Einige der hierin beschriebenen elektromagnetischen Aktuatoren enthalten Permanentmagnete, die in dem mobilen Abschnitt des Aktuators angeordnet sind, was weiter variable Luftspalte unterstützt.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines beispielhaften Vakuumschutzschalters 100. Der Vakuumschutzschalter 100 enthält einen elektromagnetischen Aktuator 102, einen Schubstift 104, einen Vakuumzylinder 106 und Anschlüsse 108 und 110. Der Vakuumzylinder 106 enthält einen ersten Kontakt 112 und einen zweiten Kontakt 114. Der erste Kontakt 112 ist mit dem Anschluss 108 über eine Anschlussschnittstelle 116 elektrisch verbunden. Der zweite Kontakt 114 ist mit dem Anschluss 110 über eine Anschlussschnittstelle 118 elektrisch verbunden. Der Vakuumzylinder 106, der Schubstift 104 und die Anschlussschnittstellen 116 und 118 sind innerhalb eines Vakuumschutzschalterkörpers 120 enthalten.
Der elektromagnetische Aktuator 102 weist einen linearen Bewegungsbereich, d.h. einen Hub 122, auf, der den Schubstift 104 auf und ab verschiebt. Während der Schubstift 104 auf und ab verschoben wird, werden die Anschlüsse 108 und 110 verbunden bzw. getrennt. Wenn die Anschlüsse 108 und 110 verbunden sind, ist der Vakuumschutzschalter 100 geschlossen. Umgekehrt ist der Vakuumschutzschalter 100 geöffnet, wenn die Anschlüsse 108 und 110 nicht verbunden sind.
2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des beispielhaften elektromagnetischen Aktuators 102 (wie er in 1 veranschaulicht ist). Der elektromagnetische Aktuator 102 enthält einen Stößel 202, der mit dem (ebenfalls in 1 veranschaulichten) Schubstift 104 gekoppelt und innerhalb eines ersten Ankerabschnitts 206 und eines zweiten Ankerabschnitts 204 angeordnet ist. Der elektromagnetische Aktuator 102 enthält ferner eine erste Spule 210 und eine zweite Spule 208. Der erste Ankerabschnitt 206 enthält Pole 212. Der Stößel 202 enthält Permanentmagnete 214 und 216 sowie Pole 218.
Der elektromagnetische Aktuator 102 ist in einer stabilen Position veranschaulicht. Insbesondere ist der Stößel 202 durch die Permanentmagnete 214 und 216 in einer ersten Position in der Nähe des ersten Ankerabschnitts 206 verriegelt. Der Stößel 202 ist ferner durch die Permanentmagnete 214 und 216 in einer zweiten Position in der Nähe des zweiten Ankerabschnitts 204 verriegelbar.
Die zweite Spule 208 wird erregt, um den Stößel 202 von der ersten Position zu der zweiten Position zu bewegen. Wie veranschaulicht, zieht eine Erregung der zweiten Spule 208 den Stößel 202 aufwärts in Richtung auf den zweiten Ankerabschnitt 204. Bei der Erregung fließt ein Strom 220 der zweiten Spule durch Wicklungen der zweiten Spule 208. Der Strom 220 der zweiten Spule erzeugt ein (nicht veranschaulichtes) elektromagnetisches Feld und erzeugt insbesondere einen zweiten magnetischen Kreis 222. Eine Richtung des Stroms 22 der zweiten Spule ist derart eingerichtet, dass eine Richtung des Magnetfeldes mit einer Ausrichtung der Permanentmagnete 214 und 216 ausgerichtet ist, so dass auf diese Weise eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete 214 und 216 vermieden wird. Der Strom 220 der zweiten Spule fließt auf der rechten Seite der zweiten Spule 208 aus der Seite heraus, wie durch Kreise und feste Punkte angezeigte. Der Strom 220 der zweiten Spule fließt auf der linken Seite der zweiten Spule 208 in die Seite hinein, wie durch Kreise und Xe angezeigt. Die Richtung des Stroms 220 der zweiten Spule hat eine Magnetflussrichtung im Uhrzeigersinn auf der linken Seite des zweiten magnetischen Kreises 222 und eine Magnetflussrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn auf der rechten Seite des zweiten magnetischen Kreises 222 zur Folge.
Der zweite magnetische Kreis 222 enthält den zweiten Ankerabschnitt 204, den Stößel 202, einen primären Luftspalt 224 und einen sekundären Luftspalt 226. Der zweite Ankerabschnitt 204 und der Stößel 202 definieren wenigstens teilweise den primären Luftspalt 224 und den sekundären Luftspalt 226. Das sich aus der Erregung der zweiten Spule 208 ergebende Magnetfeld ist stark und in dem zweiten Ankerabschnitt 204 und dem Stößel 202 konzentriert, was auf ihre jeweiligen niedrigen magnetischen Widerstände zurückzuführen ist. Der primäre Luftspalt 224 und der sekundäre Luftspalt 226 weisen einen hohen magnetischen Widerstand im Verhältnis zu dem zweiten Ankerabschnitt 204 und dem Stößel 202 auf. Demgemäß speichern der primäre Luftspalt 224 und der sekundäre Luftspalt 226 den Großteil der magnetischen Energie des erzeugten Magnetfeldes, und sie beeinflussen die Stärke des Magnetflusses durch den zweiten magnetischen Kreis 222 hindurch. Die Stärke des Magnetflusses steht in direktem Verhältnis zu einer elektromotorischen Kraft 228, die auf den Stößel 202 ausgeübt wird. Die Stärke des Magnetflusses steht in umgekehrtem Verhältnis zu Quadraten der jeweiligen Längen des primären Luftspalts 224 und des sekundären Luftspalts 226. Folglich steigt die auf den Stößel 202 ausgeübte elektromotorische Kraft 228, wenn sich die jeweiligen Längen des primären Luftspalts 224 und des sekundären Luftspalts 226 verringern. Während sich der Stößel 202 unter der elektromotorischen Kraft 228 in Richtung auf den zweiten Ankerabschnitt 204 bewegt, verringern sich die jeweiligen Längen des primären Luftspalts 224 und des sekundären Luftspalts 226, und die elektromotorische Kraft 228 steigt. In ähnlicher Weise nimmt die elektromotorische Kraft 228 ab, wenn sich die jeweiligen Längen des primären Luftspalts 224 und des sekundären Luftspalts 226 vergrößern, was eintritt, wenn sich der Stößel 202 zu dem ersten Ankerabschnitt 206 hin bewegt.
3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des (in 1 veranschaulichten) elektromagnetischen Aktuators 102, der mit dem Stößel 202 in der zweiten Position in der Nähe des zweiten Ankerabschnitts 204 veranschaulicht ist. Die Permanentmagnete 214 und 216 verriegeln den Stößel 202 in der zweiten Position. Die erste Spule 210 wird erregt, um den Stößel 202 von der zweiten Position in der Nähe des zweiten Ankerabschnitts 204 zu der ersten Position in der Nähe des ersten Ankerabschnitts 206 zu bewegen. Wenn die erste Spule 210 erregt ist, fließt ein Strom 302 der ersten Spule durch die erste Spule 210 hindurch in eine derartige Richtung, dass ein entsprechendes Magnetfeld mit der Ausrichtung der Permanentmagnete 214 und 216 ausgerichtet ist. Der Strom 302 der ersten Spule fließt auf der linken Seite der ersten Spule 210 aus der Seite heraus, wie durch die Kreise und die festen Punkte angezeigt, und fließt auf der rechten Seite der ersten Spule 210 in die Seite hinein, wie durch die Kreise und die Xe angezeigt. Der Strom 302 der ersten Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld und erzeugt insbesondere einen ersten magnetischen Kreis 304. Die Richtung des Stroms 302 der ersten Spule hat einen Magnetfluss im Gegenuhrzeigersinn auf der linken Seite des ersten magnetischen Kreises 304 und einen Magnetfluss im Uhrzeigersinn auf der rechten Seite des ersten magnetischen Kreises 304 zur Folge.
Der erste magnetische Kreis 304 enthält den ersten Ankerabschnitt 206, den Stößel 202, einen ersten Luftspalt 306, einen zweiten Luftspalt 308 und einen dritten Luftspalt 310. Der erste Luftspalt 306 ist in der Mitte des Stößels 202 zwischen dem Stößel 202 und den Polen 212 des ersten Ankerabschnitts 206 ausgebildet. Der zweite Luftspalt 308 ist an dem Rand des Stößels 202 zwischen den Polen 218 des Stößels 202 und den Polen 212 des ersten Ankerabschnitts 206 ausgebildet. Der dritte Luftspalt 310 ist tangential zu dem Stößel 202 zwischen dem Stößel 202 und einer inneren Fläche des ersten Ankerabschnitts 206 ausgebildet.
Das sich von der Erregung der ersten Spule 210 ergebende Magnetfeld ist stark und in dem ersten Ankerabschnitt 206 und dem Stößel 202 konzentriert, was auf ihre jeweiligen niedrigen magnetischen Widerstände zurückzuführen ist. Der erste Luftspalt 306, der zweite Luftspalt 308 und der dritte Luftspalt 310 weisen hohe magnetische Widerstände im Verhältnis zu dem ersten Ankerabschnitt 206 und dem Stößel 202 auf. Demgemäß speichern der ersten Luftspalt 306, der zweite Luftspalt 308 und der dritte Luftspalt 310 einen Großteil der magnetischen Energie des erzeugten Magnetfeldes, und sie beeinflussen die Stärke des Magnetflusses durch den ersten magnetischen Kreis 304. Die Stärke des Magnetflusses steht in direktem Verhältnis zu einer elektromotorischen Kraft 312, die auf den Stößel 202 ausgeübt wird.
Die Stärke des Magnetflusses durch den ersten magnetischen Kreis 304 steht im umgekehrten Verhältnis zu der Größe des ersten Luftspaltes 306, des zweiten Luftspaltes 308 und des dritten Luftspaltes 310. Während sich der Stößel 202 aufgrund der elektromotorischen Kraft 312 in Richtung auf den ersten Ankerabschnitt 206 bewegt, nehmen die jeweiligen Längen des ersten Luftspaltes 306 und des zweiten Luftspaltes 308 ab, bis die Pole 218 und der Stößel 202 auf die Pole 212 treffen, was den Magnetfluss erhöht. Während sich der erste Luftspalt 306 und der zweite Luftspalt 308 in ihrer Größe verringern, steigt die Größe des dritten Luftspalts 310, was die magnetische Energie speichert und die Stärke des Magnetflusses durch den ersten magnetischen Kreis 304 reduziert. Der Stößel 202, die Pole 218 und die Pole 212 sind eingerichtet, um den dritten Luftspalt 310 als einen variablen Luftspalt auszubilden, der eine individuell einstellbare Kraft-Hub-Beziehung für den elektromagnetischen Aktuator 102 ermöglicht. Außerdem ist die individuell einstellbare Kraft-Hub-Beziehung pro Bewegungsrichtung des Stößels 202 verschieden.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Betätigen des (in 1 veranschaulichten) elektromagnetischen Aktuators 102. Das Verfahren 400 beginnt in einem Startschritt 410. In einem Verriegelungsschritt 420 wird der (in den 2 und 3 veranschaulichte) Stößel 202 des elektromagnetischen Aktuators 102 in einer stabilen Position durch die (ebenfalls in den 2 und 3 veranschaulichten) Permanentmagnete 214 und 216 verriegelt. In einem Energieversorgungsschritt 430 wird die (in den 2 und 3 veranschaulichte) erste Spule 210 mit Energie versorgt, was einen Magnetfluss durch den (in 3 veranschaulichten) ersten magnetischen Kreis 304 erzeugt. Der erste magnetische Kreis 304 verläuft durch den Stößel 202, den ersten Ankerabschnitt 206, den ersten Luftspalt 306, den zweiten Luftspalt 308 und den dritten Luftspalt 310 (die alle in 3 veranschaulicht sind).
In einem Verschiebungsschritt 440 erzeugt der Magnetfluss durch den ersten magnetischen Kreis 304 eine (in 3 veranschaulichte) elektromotorische Kraft 312 auf den Stößel 202. Der Stößel 202 bewegt sich dann linear in Richtung auf den ersten Ankerabschnitt 206. In einem Luftspaltveränderungsschritt 450 werden die Längen des ersten Luftspaltes 306 und des zweiten Luftspaltes 308 reduziert, während sich der Stößel 202 zu dem ersten Ankerabschnitt 206 hin bewegt. Während sich der Stößel 202 zu dem ersten Ankerabschnitt 206 hin bewegt, vergrößert sich ein Querschnitt des dritten Luftspaltes 310. Die Veränderung der Luftspaltgröße ermöglicht eine Regulierung der elektromagnetischen Kraft 312 auf den Stößel 202 durch Regulierung der Stärke des Flusses durch den ersten magnetischen Kreis 304.
In manchen Ausführungsformen wird der Stößel 202 in einer weiteren stabilen Position in der Nähe des ersten Ankerabschnitts 206 durch die Permanentmagnete 214 und 216 verriegelt. Wenn die zweite Spule 208 mit Energie versorgt ist, wird ein Magnetfluss durch den zweiten magnetischen Kreis 222 hindurch erzeugt (die alle in 2 veranschaulicht sind). Der zweite magnetische Kreis 222 verläuft durch den zweiten Ankerabschnitt 204, den Stößel 202, den primären Luftspalt 224 und den sekundären Luftspalt 226 (die alle in 2 veranschaulicht sind). Der Magnetfluss erzeugt eine (in 2 veranschaulichte) elektromotorische Kraft 228 auf den Stößel 202. Die elektromotorische Kraft 228 zieht den Stößel 202 linear in Richtung auf den zweiten Ankerabschnitt 204, wodurch der primäre Luftspalt 224 und der sekundäre Luftspalt 226 geschlossen werden. Das Verfahren endet dann in einem Endschritt 460.
Die vorstehend erläuterten elektromagnetischen Aktuatoren ermöglichen eine einzigartige Polformung, die eindeutige Kraft-Hub-Beziehungen in Abhängigkeit von der Hubrichtung ermöglicht. Insbesondere enthalten die hierin beschriebenen Ausführungsformen der elektromagnetischen Aktuatoren mehrere Luftspalte zur Speicherung magnetischer Energie. Ein oder mehrere der mehreren Luftspalte können mit dem Hub variieren, was benutzerdefinierte Kraft-Hub-Beziehungen ermöglicht. Einige der hierin beschriebenen elektromagnetischen Aktuatoren enthalten Permanentmagnete, die in dem mobilen Abschnitt des Aktuators angeordnet sind, was ferner variable Luftspalte unterstützt.
Ein beispielhafter technischer Effekt der hierin beschriebenen Verfahren, Systeme und Vorrichtungen umfasst wenigstens: (a) einen elektromagnetischen Aktuator mit eindeutigen Kraft-Hub-Beziehungen, die durch mehrere Luftspalte erreicht werden, von denen wenigstens einer ein durch Polformung gebildeter variabler Luftspalt ist; (b) ein reduzierter Platzbedarf im Verhältnis zu mechanischen Fehlermechanismen und (c) reduzierte Kosten gegenüber mechanischen Fehlermechanismen.
Beispielhafte Ausführungsformen von Verfahren, Systemen und Vorrichtungen für elektromagnetische Aktuatoren sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten von Systemen und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden können. Zum Beispiel können die Verfahren auch in Kombination mit anderen nicht herkömmlichen elektromagnetischen Aktuatoren verwendet werden und sind nicht darauf beschränkt, nur mit den Systemen und Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, ausgeführt zu werden. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen weiteren Anwendungen, Ausrüstungen und Systemen implementiert und genutzt werden, die von eindeutigen Kraft-Hub-Beziehungen profitieren können.
Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen gezeigt sein können und in anderen nicht, dient dies lediglich der Einfachheit. Gemäß den Prinzipien der Offenbarung kann jedes beliebige Merkmal aus einer Zeichnung in Kombination mit einem beliebigen Merkmal aus irgendeiner anderen Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Ausführungsformen, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Ausführungsformen in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Offenbarung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weiteren Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Ein elektromagnetischer Aktuator 102 enthält einen Stößel 202, einen Anker 204, 206 und eine Spule 210. Der Stößel ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar. Der Anker enthält einen ersten Ankerabschnitt 206, der nahe an der ersten Position angeordnet ist, und einen zweiten Ankerabschnitt 204, der nahe an der zweiten Position angeordnet ist. Die Spule ist nahe bei dem ersten Ankerabschnitt angeordnet und ist eingerichtet, um bei einer Erregung ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld veranlasst den Stößel, sich aufgrund eines Magnetflusses durch einen magnetischen Kreis 304 in Richtung auf die erste Position zu bewegen. Der magnetische Kreis enthält den ersten Ankerabschnitt, den Stößel, einen Hauptluftspalt 306, 308 und einen variablen Luftspalt 310. Der Hauptluftspalt und der variable Luftspalt sind zwischen dem ersten Ankerabschnitt und dem Stößel definiert. Der Hauptluftspalt verringert sind, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt. Der variable Luftspalt vergrößert sich, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.
Bezugszeichenliste

100: Vakuumschutzschalter
102: Elektromagnetischer Aktuator
104: Schubstift
106: Vakuumzylinder
108: Anschluss
110: Anschluss
112: Erster Kontakt
114: Zweiter Kontakt
116: Anschlussschnittstelle
118: Anschlussschnittstelle
120: Vakuumschutzschalterkörper
122: Hub
202: Stößel
204: Zweiter Ankerabschnitt
206: Erster Ankerabschnitt
208: Zweite Spule
210: Erste Spule
212: Pole
214: Permanentmagnet
216: Permanentmagnet
218: Pole
220: Strom der zweiten Spule
222: Zweiter magnetischer Kreis
224: Primärer Luftspalt
226: Sekundärer Luftspalt
228: Elektromotorische Kraft
302: Strom der ersten Spule
304: Erster magnetischer Kreis
306: Erster Luftspalt
308: Zweiter Luftspalt
310: Dritter Luftspalt
312: Elektromotorische Kraft
400: Verfahren
410: Startschritt
420: Verriegelungsschritt
430: Energieversorgungsschritt
440: Verschiebungsschritt
450: Luftspaltveränderungsschritt
460: Endschritt

Claims

Elektromagnetischer Aktuator (102), der aufweist: einen Stößel (202), der zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist; einen Anker, der einen ersten Ankerabschnitt (206), der nahe an der ersten Position angeordnet ist, und einen zweiten Ankerabschnitt (204) aufweist, der nahe an der zweiten Position angeordnet ist; und eine erste Spule (210), die nahe bei dem ersten Ankerabschnitt angeordnet ist, wobei die erste Spule eingerichtet ist, um ein erstes Magnetfeld zu erzeugen, wenn sie erregt ist, wobei das erste Magnetfeld den Stößel veranlasst, sich in Richtung auf die erste Position zu bewegen, wobei die erste Spule ferner eingerichtet ist, um einen ersten Magnetfluss durch einen ersten magnetischen Kreis (304) zu erzeugen, wobei der erste magnetische Kreis aufweist: den ersten Ankerabschnitt; den Stößel; einen ersten Luftspalt (306, 308), der wenigstens teilweise durch den ersten Ankerabschnitt und den Stößel definiert ist, wobei der erste Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt; und einen zweiten Luftspalt (310), der wenigstens teilweise durch den ersten Ankerabschnitt und den Stößel definiert ist, wobei der zweite Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu vergrößern, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.
Elektromagnetischer Aktuator (102) nach Anspruch 1, der ferner mehrere Permanentmagnete (214, 216) aufweist, die innerhalb des Stößels (202) angeordnet und eingerichtet sind, um den Stößel zu verriegeln, wenn sich dieser in der ersten Position befindet und wenn sich dieser in der zweiten Position befindet.
Elektromagnetischer Aktuator (102) nach Anspruch 1 oder 2, der ferner eine zweite Spule (208) aufweist, die nahe bei dem zweiten Ankerabschnitt (204) angeordnet ist, wobei die zweite Spule eingerichtet ist, um bei einer Erregung ein zweites Magnetfeld zu erzeugen, das den Stößel (202) veranlasst, sich in Richtung auf die zweite Position zu bewegen, wobei die zweite Spule ferner eingerichtet ist, um einen zweiten Magnetfluss durch einen zweiten magnetischen Kreis (222) zu erzeugen, wobei der zweite magnetische Kreis aufweist: den zweiten Ankerabschnitt; den Stößel; und einen dritten Luftspalt (224, 226), der wenigstens teilweise durch den zweiten Ankerabschnitt und den Stößel definiert ist, wobei der dritte Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der zweiten Position hin bewegt.
Elektromagnetischer Aktuator (102) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stößel (202) und der erste Ankerabschnitt (206) mit mehreren Polen (212, 218) gekoppelt sind, die angeordnet sind, um wenigstens teilweise den ersten Luftspalt (306, 308) und den zweiten Luftspalt (310) zu definieren; wobei der Stößel (102), der erste Ankerabschnitt (206) und die mehreren Pole (212, 218) vorzugsweise ein ferromagnetisches Material aufweisen.
Elektromagnetischer Aktuator (102) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Luftspalt (310) ein nicht eisenhaltiges Material aufweist.
Elektromagnetischer Aktuator (102) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Luftspalt (306, 308) sich mit der gleichen Geschwindigkeit verringert, wie sich der zweite Luftspalt (310) vergrößert, was eine Nettoveränderung von null in dem ersten magnetischen Fluss durch den magnetischen Kreis (304) hervorruft; und/oder wobei der erste Luftspalt (306, 308) eine Länge zwischen dem ersten Ankerabschnitt (206) und dem Stößel (202) definiert und wobei die Länge eingerichtet ist, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.
Elektromagnetischer Aktuator (102) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Luftspalt (310) einen Querschnitt des Stößels (202) und des ersten Ankerabschnitts (206) definiert, wobei der Querschnitt eingerichtet ist, um sich zu vergrößern, während sich der Stößel zu der ersten Position hin bewegt.
Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Aktuators, wobei das Verfahren aufweist: Verriegeln eines Stößels in einer ersten Position; Erregen einer ersten Spule, um einen ersten Magnetfluss durch den Stößel, einen ersten Ankerabschnitt, einen ersten Luftspalt und einen zweiten Luftspalt zu erzeugen; Erzeugen einer ersten elektromotorischen Kraft, die dem ersten Magnetfluss entspricht, auf den Stößel, wodurch der Stößel veranlasst wird, sich in Richtung auf den ersten Ankerabschnitt zu bewegen; und Reduzieren einer Länge des ersten Luftspaltes und Vergrößern eines Querschnitts des zweiten Luftspaltes, um die elektromotorische Kraft auf den Stößel zu regulieren.
Vakuumschutzschalter (100), der aufweist: einen ersten Kontakt (112); einen zweiten Kontakt (114), der eingerichtet ist, um sich zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position zu verschieben, in der der zweite Kontakt ferner eingerichtet ist, um mit dem ersten Kontakt in Eingriffsverbindung zu stehen; und einen elektromagnetischen Aktuator (102), der aufweist: einen Stößel (202), der mit dem zweiten Kontakt gekoppelt und zwischen der offenen Position und der geschlossenen Position bewegbar ist, wobei der Stößel wenigstens einen Permanentmagneten (214, 216) aufweist; einen ersten Anker (206), der nahe an der offenen Position angeordnet ist; einen zweiten Anker (204), der nahe an der geschlossenen Position angeordnet ist; und eine Öffnungsspule (210), die nahe bei dem ersten Anker angeordnet ist, wobei die Öffnungsspule eingerichtet ist, um bei einer Erregung ein öffnendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Stößel veranlasst, sich in Richtung auf die offene Position zu bewegen, wobei die Öffnungsspule ferner eingerichtet ist, um einen öffnenden Magnetfluss durch einen öffnenden magnetischen Kreis (304) zu erzeugen, wobei der öffnende magnetische Kreis aufweist: den ersten Anker; den Stößel; einen ersten Luftspalt (306, 308), der wenigstens teilweise durch den ersten Anker und den Stößel definiert ist, wobei der erste Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der offenen Position hin mit einer Öffnungskraft (312) bewegt; und einen zweiten Luftspalt (310), der wenigstens teilweise durch den ersten Anker und den Stößel definiert ist, wobei der zweite Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu vergrößern, während sich der Stößel zu der offenen Position hin mit der Öffnungskraft bewegt, und wobei die Öffnungskraft wenigstens teilweise eine Funktion des ersten Luftspalts und des zweiten Luftspalts ist.
Vakuumschutzschalter (100) nach Anspruch 9, wobei der öffnende magnetische Kreis (304) ferner den wenigstens einen Permanentmagneten (214, 216) aufweist, der in dem Stößel (202) angeordnet ist; und/oder wobei die Öffnungskraft (312) linear mit einer Verschiebung des Stößels (202) von der geschlossenen Position aus variiert.
Vakuumschutzschalter (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der elektromagnetische Aktuator (102) ferner eine Schließspule (208) aufweist, die nahe bei dem zweiten Anker (204) angeordnet ist, wobei die Schließspule eingerichtet ist, um bei einer Erregung ein schließendes Magnetfeld zu erzeugen, das den Stößel (202) veranlasst, sich in Richtung auf die geschlossene Position zu bewegen, wobei die Schließspule ferner eingerichtet ist, um einen schließenden Magnetfluss durch einen schließenden magnetischen Kreis (222) zu erzeugen, wobei der schließende magnetische Kreis aufweist: den zweiten Anker; den Stößel; und einen dritten Luftspalt (224, 226), der wenigstens teilweise durch den zweiten Anker und den Stößel definiert ist, wobei der dritte Luftspalt eingerichtet ist, um sich zu verringern, während sich der Stößel zu der geschlossenen Position hin mit einer Schließkraft (228) bewegt, wobei die Schließkraft wenigstens teilweise eine Funktion des dritten Luftspalt ist; wobei die Öffnungsspule (210) vorzugsweise weniger Windungen aufweist als die Schließspule (208).