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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters. Die Anordnung umfasst einen Aktor und eine Einrichtung zum Blockieren der Schaltbewegung, welche ein Verriegelungselement aufweist. Der Aktor steht in Wirkverbindung mit dem Verriegelungselement und ist ausgebildet, eine Verrieglung zu öffnen und/oder zu schließen.
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Schaltgeräte, insbesondere Leistungsschalter, werden z. B. über hydraulische Antriebe oder Federspeicherantriebe mit mechanischer Energie für die Schaltbewegung versorgt. Die hohe Energie für die Ein- und Ausschaltung, welche für die Bewegung von Kontaktstücken der Kontakte im Schaltgerät notwendig ist, wird z. B. in Gasspeichern oder Federn gespeichert. Hohe Kräfte sind insbesondere für ein schnelles Schalten notwendig. Ein schnelles Schalten erfordert ein schnelles Freisetzen der gespeicherten Energie und eine schnelle Übertragung der Bewegung vom Antrieb über eine kinematische Kette auf die beweglichen Kontaktstücke des Schaltgerätes. Die für die schnelle Schaltbewegung erforderlichen großen Kräfte müssen bis zum Schaltvorgang zuverlässig gehalten bzw. blockiert werden, und bei Bedarf schnell zum Schalten zur Verfügung gestellt werden. Einrichtungen zum Auslösen der Schaltbewegung, d. h. Auslöser, blockieren eine Schaltbewegung bis zum definierten Schaltzeitpunkt.
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Die Leistungsaufnahme zum Halten der gespeicherten Bewegungsenergie und zum Auslösen sowie die Auslösezeit sollten klein sein, um wenig Energie zwischen den Schaltvorgängen zu verbrauchen und ein schnelles Schalten zu gewährleisten. Übersetzungssysteme reduzieren zu diesem Zweck die für die Schaltbewegung erforderliche Kraft auf eine kleine Kraft, z. B. hydraulisch oder mechanisch, um zum Schaltzeitpunkt z. B. durch eine schnelle Hubbewegung eine hohe Auslösekraft bereit zu stellen. Beispiele für solche Übersetzungssysteme sind bei Federspeicherantrieben Klinkensysteme oder bei Hydraulikantrieben Ventilsysteme. Schnelle Hubbewegungen zum Auslösen der Schaltbewegung und zum Freigeben der Bewegungsenergie werden im Stand der Technik durch elektromechanische Aktuatoren realisiert, z. B. durch Hubmagnete.
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Aus der
DE 10 2013 224 953 A1 ist ein Federspeicherantrieb für einen Leistungsschalter mit Anordnungen zum Auslösen einer Schaltbewegung bekannt. Eine Ein- und Ausschaltfeder sind über eine kinematische Kette mit Schaltkontaktstücken des Leistungsschalters verbunden. Die Bewegungsenergie für das Schalten der Schaltkontaktstücke bzw. der beweglichen Kontaktstücke der Kontakte des Leistungsschalters ist in den Federn gespeichert, durch ein Vorspannen der Ein- und Ausschaltfeder. Die Federn werden jeweils durch ein Verklinken von Elementen der kinematischen Kette durch Endlagenschalter in einem vorgespannten Zustand gehalten.
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Der Leistungsschalter wird eingeschaltet durch Auslösen des Öffnens der Verklinkung des Endlagenschalters der Einschaltfeder. Die Einschaltfeder expandiert und die in der Vorspannung gespeicherte Energie wird in Form von Bewegungsenergie abgegeben und über die kinematische Kette auf die Kontaktstücke übertragen. Die Kontaktstücke werden in eine Position der geschlossenen elektrischen Kontakte bewegt. Der Leistungsschalter wird ausgeschaltet durch Auslösen des Öffnens der Verklinkung des Endlagenschalters der Ausschaltfeder. Die Ausschaltfeder expandiert analog der Einschaltfeder beim lösen der Verklinkung und die in der Vorspannung gespeicherte Energie wird in Form von Bewegungsenergie abgegeben und über die kinematische Kette auf die Kontaktstücke übertragen. Die Kontaktstücke werden in eine Position der geöffneten elektrischen Kontakte bewegt.
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Die elektromagnetischen Aktuatoren, insbesondere Hubmagnete, welche zum Auslösen der Schaltbewegung verwendet werden, müssen eine hohe Auslösekraft sowie eine schnelle Hubbewegung bereitstellen. Dazu wird eine bestimmte elektrische Leistung benötigt. Die auf Induktion basierenden Hubmagnete mit elektrischen Spulen sind in einer Umgebung mit hohen Spannungen und elektrischen Wechselfeldern in ihrer Zuverlässigkeit eingeschränkt. Eine notwendige elektromagnetische Schirmung, insbesondere in Form metallischer Gehäuse ist kostenintensiv.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters anzugeben, welche kostengünstig und zuverlässig sind, bei geringer Leistungsaufnahme. Insbesondere ist es Aufgabe eine schnelle Hubbewegung und hohe Auslösekraft bereitzustellen und schnell, gesteuert auslösen zu können, um ein schnelles und zuverlässiges Schalten des Leistungsschalters zu ermöglichen. Die zuvor beschriebenen Anforderungen sind mit einem kompakten, einfachen Aufbau und geringer bewegter Masse des Auslösers zu realisieren.
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Die angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und/oder durch ein Verfahren zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters, insbesondere unter Verwendung der zuvor beschriebenen Anordnung, gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters und/oder des Verfahren zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen von Unteransprüchen sowie Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters umfasst einen Aktor, und eine Einrichtung zum Blockieren der Schaltbewegung mit einem Verriegelungselement. Der Aktor steht in Wirkverbindung mit dem Verriegelungselement und ist ausgebildet, eine Verrieglung zu öffnen und/oder zu schließen. Der Aktor umfasst ein aktives Material, dessen Volumen und/oder Form durch Änderung einer physikalischen Größe veränderbar ist, wobei durch die Volumen- und/oder Formänderung des aktiven Materials das Öffnen und/oder Schließen der Verriegelung bewirkbar ist.
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Durch die Verwendung von Aktoren, basierend auf einem Material, welches durch Änderung einer physikalischen Größe derart das Volumen und/oder die Form ändert, dass ein Öffnen und/oder Schließen der Verriegelung möglich ist, ist im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetisch auslösenden Hubmagneten, in einem Umfeld von Wechselfeldern mit hoher Spannung eine hohe Zuverlässigkeit gegeben. Ein ungewolltes Auslösen der Schaltbewegung durch Induktion aus dem Umfeld der Anordnung von Strömen im Hubmagneten kann vermieden werden. Somit ist eine elektromagnetische Schirmung des Auslösers nicht notwendig. Aktoren, basierend auf Materialien, welche ihr Volumen und/oder ihre Form ändern, können kompakt und kostengünstig hergestellt werden. Durch die Volumen- und/oder Formänderung sind hohe Auslösekräfte realisierbar. Es müssen keine großen Massen zum Auslösen bewegt werden und die Leistungsaufnahme ist minimiert. Bei Hubmagneten wird im Unterschied dazu die Form oder das Volumen des Materials des Hubmagneten nicht geändert, es wird durch eine stromdurchflossene Spule ein Magnetfeld erzeugt, welches ein magnetisches oder magnetisierbares Material z. B. in Form eines Bolzens beschleunigt.
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Die physikalischen Größen, welche zur Änderung des Volumens und/oder der Form des aktiven Materials in der erfindungsgemäßen Anordnung geändert werden, können sensorisch verwendet werden. Somit ist eine gesteuerte oder geregelte Aktivierung des Aktors und/oder dessen Überwachung möglich.
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Das aktive Material kann ein Formgedächtnis-Material umfassen, bei welchem die Änderung des Volumens und/oder der Form durch eine Änderung einer Temperatur bewirkbar ist. Bei Erwärmung kann sich z.B. das aktive Material, z. B. in Stangenform, ausdehnen und/oder verbiegen, und dadurch eine Verklinkung lösen, womit eine Schaltbewegung ausgelöst wird. Bei Abkühlung kann das aktive Material in seine Ausgangsform zurückkehren und die Verklinkung wieder geschlossen werden, d. h. die Schaltbewegung bzw. die Feder wieder verriegelt werden. Eine Ausdehnung und/oder Formänderung bei Erwärmung kann sehr schnell erfolgen, mit großer Auslösekraft. Eine Abkühlung kann langsam erfolgen, oder z. B. durch eine Kühleinrichtung beschleunigt werden. Somit ist die Realisierung von unterschiedlichen Auslösezeiten möglich. Die Auslösezeit kann über eine bereitgestellte Temperatur einer Einrichtung zum Erwärmen bestimmt werden. Hohe Temperaturen beim Erhitzen des Formgedächtnis-Materials können schnelle Hubbewegungen erzeugen. Ein Auslösen ohne elektrische Leistung, z. B. durch einen Brenner ist möglich, womit eine hohe Zuverlässigkeit ohne eine externe Stromversorgung erreicht werden kann.
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Das aktive Material kann ein Piezo-Material umfassen, bei welchem die Änderung des Volumens durch eine Änderung einer elektrischen Spannung bewirkbar ist. Piezo-Materialien, z. B. Piezo-Kristalle oder piezoelektrische Keramiken, insbesondere aus Blei-Zirkonat-Titanaten oder Blei-Magnesium-Niobaten, können große Hubkräfte sehr schnell erzeugen bei geringer Leistungsaufnahme. Somit sind unter Verwendung von Piezo-Materialien sehr schnelle Auslösezeiten und große Auslösekräfte möglich. Anordnungen zum Auslösen einer Schaltbewegung, d. h. Aktuatoren bzw. Aktoren mit Piezo-Materialien sind kompakt und kostengünstig realisierbar. Es müssen zum Auslösen keine großen Massen bewegt werden. Im stand-bye Betrieb ist keine Leistungsaufnahme notwendig. Eine Kraft auf ein Piezo-Material erzeugt eine Spannung. Somit können Anordnungen zum Auslösen einer Schaltbewegung mit Piezo-Materialien sensorisch genutzt werden, um z B. eine Haltekraft zu monitoren bzw. zeitlich abhängig zu messen. Insbesondere Federkräfte oder Vorspannungen können derart bestimmt werden und eine mögliche Anzahl von Schaltvorgängen ohne erneutes Spannen der Feder kann daraus ermittelt werden.
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Das Verriegelungselement kann ein Klinkenhebel sein, der um eine Achse drehbar gelagert ist und durch den Aktor bewegbar ist, insbesondere zum Blockieren eines Elements der kinematischen Kette des Leistungsschalters und zum Freigeben der Schaltbewegung durch eine vom Aktor ausgelöste Drehbewegung des Klinkenhebels. Das Element der kinematischen Kette kann gegen den Klinkenhebel senkrecht drücken bzw. derart verriegelt sein, womit sehr hohe Kräfte, insbesondere abhängig der Stabilität der Hebelbefestigung am Gehäuse, realisierbar sind. Eine kleine Auslenkung des Hebels kann die Verklinkung aufheben und die Schaltbewegung auslösen. Somit ist über den beschriebenen Mechanismus mit Klinkenhebel eine hohe Haltkraft und sehr kurze Auslösezeit mit geringer Hubbewegung realisierbar. Eine elektrische Leistungsaufnahme der Anordnung zwischen Auslösevorgängen ist nicht nötig.
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Ein Anschlag kann von der Anordnung zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters umfasst sein, welcher eine Drehbewegung des Klinkenhebels begrenzt. Eine Feder kann umfasst sein, welche ausgebildet ist das Verriegelungselement in einem Zustand zu halten, insbesondere in einem geschlossenen Zustand der Verriegelung. Durch die Feder kann eine Rückstellkraft auf das Verriegelungselement bewirkt sein, welche entgegengesetzt gerichtet ist zu einer Kraft des Aktors auf das Verriegelungselement. Ein Zusammenwirken von Anschlag und Feder kann ein sicheres Halten des Verriegelungselements in einem Zustand gewährleisten, ohne dass eine Leistungsaufnahme z. B. in Form von elektrischer Leistung notwendig ist. Nur bei Änderung des Zustands, z. B. von einem verklinkten in eine freigegebenen Zustand, wird insbesondere thermische oder elektrische Leistung von dem Aktor verbraucht.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen Anordnung, umfasst das Wirken eines Aktors auf ein Verriegelungselement einer Einrichtung zum Blockieren der Schaltbewegung, um eine Verrieglung zu öffnen und/oder zu schließen. Das Öffnen und/oder Schließen der Verriegelung wird durch eine Volumen- und/oder Formänderung eines aktiven Materials des Aktors bewirkt, abhängig der Änderung einer physikalischen Größe, insbesondere der Temperatur und/oder der angelegten elektrischen Spannung.
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Ein Verriegelungselement kann nach Art eines Klinkenhebels um eine Achse von einer Position Offen in eine Position Geschlossen gedreht werden, zum Blockieren der Schaltbewegung eines Elements der kinematischen Kette des Leistungsschalters. Das Verriegelungselement kann alternativ oder zusätzlich um die Achse von einer Position Geschlossen in eine Position Offen gedreht werden, zum Freigeben der Schaltbewegung des Elements der kinematischen Kette des Leistungsschalters.
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Das Verriegelungselement kann durch die Achse in eine erste und eine zweite Seite geteilt werden oder geteilt sein. Das Verriegelungselement kann auf der ersten Seite zum Blockieren der Schaltbewegung des Elements, im Wesentlichen entgegengesetzt der Richtung der Bewegungskraft des Elements, eine Kraft bewirken. Der Aktor kann auf die zweite Seite des Verriegelungselements wirken, um eine Drehbewegung des Verriegelungselements um die Achse zu erzeugen, wodurch das Verriegelungselement aus der Bewegungsbahn des Elements gedreht wird und die Bewegung des Elements freigegeben wird.
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Die Wirkverbindung des Aktors auf die zweite Seite des Verriegelungselements kann aufgehoben werden, und eine Feder kann eine Rückstellkraft auf die zweite Seite des Verriegelungselements bewirken. Dadurch kann eine Drehbewegung des Verriegelungselements um die Achse erzeugt werden und das Verriegelungselement kann in die Bewegungsbahn des Elements gedreht werden und die Bewegung des Elements blockieren.
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Der Aktor kann alternativ auf die zweite Seite des Verriegelungselements wirken und eine Rückstellkraft auf die zweite Seite des Verriegelungselements bewirken, wodurch eine Drehbewegung des Verriegelungselements um die Achse erzeugt wird und das Verriegelungselement in die Bewegungsbahn des Elements gedreht wird und die Bewegung des Elements blockiert. Es können auch mehrere Aktoren verwendet werden, welche insbesondere eine Kombination beider Verfahren verwenden.
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Die Volumenänderung des Aktors kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einen Piezo-Kristall erfolgen und/oder die Volumen- und/oder Formänderung des Aktors kann durch Änderung einer Temperatur an einem Formgedächtnis-Material erfolgen. Es sind auch Kombinationen möglich, z. B. die Änderung einer Temperatur an einem Piezo-Kristall.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters nach Anspruch 8 sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen der Anordnung zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters nach Anspruch 1 und umgekehrt.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in den 1 bis 3 dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigen die
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1 schematisch einen Leistungsschalter 1 mit Antrieb 3 und kinematischer Kette, insbesondere verklinkbaren Elementen 14, 15 mit Auslöser 16, 17, und
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2 eine erfindungsgemäße Anordnung 16 zum Auslösen einer Einschaltbewegung eines Leistungsschalters 1 der 1 im Detail, und
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3 eine erfindungsgemäße Anordnung 17 zum Auslösen einer Ausschaltbewegung eines Leistungsschalters 1 der 1 im Detail.
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In
1 ist schematisch in Schrägansicht ein Leistungsschalter
1 mit Antrieb
3 und kinematischer Kette dargestellt. Teile der kinematischen Kette, insbesondere eine Spannwelle
10 und eine Hilfswelle
19, können über Elemente
14,
15 mit jeweils einem Auslöser
16,
17 verklinkt werden. Der prinzipielle Aufbau des Leistungsschalters
1 mit Einrichtungen zum Blockieren und Auslösen von Schaltbewegungen in einem Antrieb
3 ist aus der
DE 10 2013 224 953 A1 bekannt. Im Stand der Technik werden in der Anordnung zum Auslösen der Schaltbewegung des Leistungsschalters
1 Hubmagnete verwendet. Die elektromechanischen Aktuatoren, insbesondere Hubmagnete, im Stand der Technik weisen eine hohe Leistungsaufnahme auf. Die Zuverlässigkeit kann durch elektromagnetische Störfelder herabgesetzt werden, weshalb eine Schirmung durch z. B. ein Metall-Gehäuse erforderlich ist, welches der Einfachheit halber in der
1 nicht dargestellt ist. Der Aufbau ist komplex, kostenintensiv und erfordert viel Bauraum.
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Die Bewegungsenergie im Leistungsschalter 1 der 1 wird von einem elektrischen Motor 8 bereitgestellt und in Federn 5, 6 gespeichert. Eine Übertragung der Bewegungsenergie erfolgt über Wellen, Getriebe, Hebel sowie weitere Elemente der kinematischen Kette. Die Federn 5, 6 werden gespannt und durch eine Verklinkung von Elementen der kinematischen Kette in einem gespannten Zustand gehalten. Eine Verklinkung erfolgt jeweils über einen Endlagenschalter als Einschalt- und Ausschalt-Auslöser 16, 17, welcher an einen Hebel 14 bzw. eine Kurvenscheibe 15 angreift, die wiederum jeweils an einer Übertragungswelle 10, 19 befestigt sind. Eine Einschaltfeder 5 und eine Ausschaltfeder 6 sind jeweils separat verklinkt und können unabhängig voneinander durch Betätigen des jeweiligen Endlagenschalters 16, 17 freigegeben werden.
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Der Endlagenschalter 17 bzw. Ausschalt-Auslöser der Ausschaltfeder 6 verklinkt bzw. blockiert den Schwenkhebel 14 der Hilfswelle 19, welche mechanisch mit der Ausschaltfeder 6 verbunden ist. Die Ausschaltfeder 6 wird in einem gespannten Zustand gehalten und zum Auslösen der Ausschaltbewegung des Leistungsschalters 1 wird die Verklinkung gelöst, d. h. die Blockade des Schwenkhebels 14 wird durch den Ausschalt-Auslöser 17 freigegeben. Die Ausschaltfeder 6 kann expandieren und die Bewegungsenergie der Ausschaltfeder 6 wird als Ausschaltbewegung über Elemente der kinematischen Kette, wie z. B. ein Pleuel 12, einen Kurbelarm 11, eine Antriebsstange 7, übertragen. Der Leistungsschalter 1 wird ausgeschaltet, d. h. die Ausschaltbewegung wird auf bewegliche Kontaktstücke des Leistungsschalterpols 2 übertragen und bewegt diese in eine Position der geöffneten elektrischen Kontakte. In 1 ist nur beispielhaft ein Leistungsschalterpol 2 dargestellt. Es können auch zwei oder mehr, insbesondere drei Leistungsschalterpole 2 über eine Antriebsstange 7 insbesondere gleichzeitig geschaltet bzw. angetrieben werden.
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Der Einschalt-Auslöser 16 der Einschaltfeder 5 verklinkt bzw. blockiert die Kurvenscheibe 15 der Spannwelle 10, welche mechanisch mit der Einschaltfeder 5 verbunden ist. Die Einschaltfeder 5 wird in einem gespannten Zustand gehalten und zum Auslösen der Einschaltbewegung des Leistungsschalters 1 wird die Verklinkung gelöst, d. h. die Blockade der Kurvenscheibe 15 wird durch den Einschalt-Auslöser 16 freigegeben. Die Einschaltfeder 5 kann expandieren und die Bewegungsenergie der Einschaltfeder 5 wird als Einschaltbewegung über Elemente der kinematischen Kette, wie z. B. ein Pleuel 12, die Spannwelle 10, der Kurvenscheibe 15, dem Schwenkhebel 14, der Hilfswelle 19, dem Kurbelarm 11, der Antriebsstange 7, übertragen. Der Leistungsschalterpol 2 wird eingeschaltet, d. h. die Einschaltbewegung wird auf bewegliche Kontaktstücke des Leistungsschalterpols 2 übertragen und bewegt diese in eine Position der geschlossenen elektrischen Kontakte.
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Die Einschaltfeder 5 ist zwischen einer Platte, welche an einer Pleuelstange 12 befestigt ist, und einem Gehäuseteil mit Anschlag 13 angeordnet, und kann zwischen den zwei Elementen Platte und Anschlag 13 gespannt werden. Die Einschaltfeder 5 wird von einer Spanneinrichtung 8 vorgespannt, insbesondere einem elektrischen Motor, welche Bewegungsenergie bereit stellt, die über ein Spanngetriebe 9 und die Spannwelle 10 sowie die Pleuelstange 12 auf die Einschaltfeder 5 übertragen wird. Nach Spannen der Einschaltfeder 5 wird über die Kurvenscheibe 15, welche fest an der Spannwelle 10 befestigt ist, mit Hilfe des Einschalt-Auslösers 16 die Spannwelle 10 und damit verbunden die Pleuelstange 12 der Einschaltfeder 5 blockiert bzw. fixiert. Eine Bewegung der Elemente 10, 12, 15 ist blockiert und die der Einschaltfeder 5 wird in einem vorgespannten Zustand gehalten.
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Die Ausschaltfeder 6 kann über die Bewegung der Einschaltfeder 5 gespannt werden und/oder umgekehrt. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausschaltfeder 6 analog und zusammen mit der Einschaltfeder 5 über die Spanneinrichtung 8 gespannt werden. Die Ausschaltfeder 6 ist zwischen einer Platte, welche an einer zugeordneten Pleuelstange 12 befestigt ist, und einem Gehäuseteil mit Anschlag 13 angeordnet, und kann zwischen den zwei Elementen Platte und Anschlag 13 gespannt werden.
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Die Ausschaltfeder 5, wie in 1 gezeigt, wird von der Einschaltfeder 6 und der Einschaltbewegung vorgespannt. Beim Lösen der Verklinkung der Kurvenscheibe 15 durch den Einschalt-Auslöser 16 wird eine Einschaltbewegung ausgelöst. Die Bewegung wird über den Pleuel 12 der Einschaltfeder 5 und Hebel sowie Wellen auf die Spannwelle 10 und die Kurvenscheibe 15 übertragen und von der Kurvenscheibe 15 auf den Schwenkhebel 14 übertragen. Der Schwenkhebel 14 ist fest mit der Hilfswelle 19 verbunden und durch Bewegung des Schwenkhebels 14 wird die Hilfswelle 19 rotiert. Diese Bewegung wird auf einen Kurbelarm 11 übertragen, welcher über den Pleuel 12 der Ausschaltfeder 6 die Ausschaltfeder 6 vorspannt, und gleichzeitig über die Antriebsstange 7 und weitere Elemente der kinematischen Kette den Leistungsschalter 1 bzw. in 1 den Leistungsschalterpol 2 einschaltet.
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Am Ende der Einschaltbewegung wird der Schwenkhebel 14 über den Ausschalt-Auslöser 17 verklinkt bzw. blockiert. Die vorgespannte Ausschaltfeder 6 wird im vorgespannten Zustand gehalten, über den verlinkten Schwenkhebel 14, welcher eine Bewegung der Hilfswelle 19, des Kurbelarms 11 und der Pleuelstange 12 der Ausschaltfeder 6 blockiert. Eine Ausschaltbewegung erfolgt beim Lösen der Verklinkung des Schwenkhebels 14 durch den Ausschalt-Auslöser 17.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine Verklinkung und/oder ein Lösen der Verklinkung über eine Anordnung 16, 17 zum Auslösen einer Schaltbewegung eines Leistungsschalters 1 mit einem Aktor 26, 27, wie in den 2 und 3 dargestellt ist. Die Verklinkung und/oder ein Lösen der Verklinkung werden ausgelöst durch eine Volumenänderung des aktiven Materials. Alternativ oder zusätzlich kann eine Formänderung des Aktors eine Verklinkung oder ein Lösen der Verklinkung bewirken, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist. So kann z. B. ein Verbiegen eines Stabs das Lösen der Verklinkung bewirken. Eine Volumenänderung eines Materials kann als ein Spezialfall einer Formänderung des Materials angesehen werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung 16, 17 ermöglicht kurze Reaktions- bzw. Auslösezeiten, hohe Auslösekräfte, bei geringer bewegter Masse und geringer Leistungsaufnahme sowie mit einem einfachen, kompakten Aufbau zum Auslösen. Eine hohe Zuverlässigkeit wird bei geringen Kosten erreicht im Vergleich zum Einsatz von Hubmagneten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung 16 zum Auslösen einer Einschaltbewegung eines Leistungsschalters 1, d. h. ein Einschalt-Auslöser 16 ist in der 2 im Detail dargestellt. Ein Element der kinematischen Kette, z. B. die Spannwelle 10, fest verbunden mit einem mit der Welle 10 rotierbaren hebelförmigen Element, z. B. der Kurvenscheibe 15 in 1, wird von einem Klinkenhebel 20 blockiert bzw. verklinkt. Der Klinkenhebel 20 wirkt auf ein Rad 18, welches an dem Element 15 befestigt ist. Im verklinkten Zustand ist der Klinkenhebel 20 mit einer ersten Seite auf der Bewegungsbahn 35 in Bewegungsrichtung 38 zum Rad 18 angeordnet, mit der Längsrichtung des Klinkenhebels 20 tangential zur kreisförmigen Bewegungsbahn 35 des Mittelpunkts des Rads 18, und blockiert eine Bewegung des Elements 15 mit Rad 18. Die Kraft der vorgespannten Einschaltfeder 5 wirkt, über die Welle 10 und dem Element 15 mit Rad 18, auf eine Seitenfläche an der Spitze des Klinkenhebels 20 auf der ersten Seite 23, in Richtung Drehachse 21 des Klinkenhebels 20, wobei der Klinkenhebel 20 räumlich durch eine Befestigung, z. B. eine Schraube oder Welle bzw. Bolzen, fixiert ist. Die Kraft der vorgespannten Einschaltfeder 5 wird somit durch eine Gegenkraft kompensiert, welche aus der Befestigung des Klinkenhebels 20 am Punkt der Achse 21 z. B. an einem Gehäuse des Antriebs 3 entsteht. Das Gehäuse des Antriebs 3 ist der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt.
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Der Klinkenhebel 20 ist drehbar um die Achse 21 angeordnet, und wird in der verklinkten Position durch einen Anschlag 29, z. B. befestigt am Gehäuse des Antriebs 3, und eine Feder 22 gehalten. Die Feder 22 ist mit einer Seite an einer zweiten Seite 24 des Klinkenhebels 20 am Klinkenhebel 20 befestigt und mit der gegenüberliegenden Seite der Feder 22 an einer Fixierung 25, z.B. am Gehäuse des Antriebs 3, befestigt. Die Feder 22, auf Zug gespannt zwischen Fixierung 25 und Klinkenhebel 20, übt eine Zugkraft 33 auf die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 aus. Die Zugkraft wirkt in eine Drehrichtung des Klinkenhebels 20 in Richtung des Anschlags 29. Eine Drehbewegung des Klinkenhebels 20 um die Achse 21 durch die Zugkraft der Feder 22 in Richtung 33 wird durch den Anschlag 29 verhindert. Die Zugkraft der Feder 22 in Richtung 33 wird durch eine entgegengesetzte Kraft des Anschlags 29 auf den Klinkenhebel 20 auf der zweiten Seite 24 des Klinkenhebels 24 kompensiert. Die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 ist durch die Zugkraft der Feder 22 und den Anschlag 29 wie eingeklemmt, und der Klinkenhebel 20 ist sowohl rotorisch als auch translatorisch unbeweglich in Zusammenwirken mit der Befestigung an der Achse 21 gehalten.
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Um die Verklinkung zu öffnen wirkt ein Piezo-Element 26 und/oder ein Formgedächtnis-Element 27 als Aktor auf die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 in eine Richtung 30, 31 entgegengesetzt der Richtung 33 der Federkraft 22 ein. Dazu kann eine elektrische Spannung an das Piezo-Element 26 angelegt werden, welche zu einer Ausdehnung des Piezo-Elements 26 führt. Bei Verwendung eines Formgedächtnis-Elements 27 als Aktor kann eine Temperaturerhöhung, z. B. durch Heizen des Formgedächtnis-Elements 27 mit einer Heizung, zu einer Formänderung des Formgedächtnis-Elements 27 führen. Die Ausdehnung des Piezo-Elements 26 durch angelegte Spannung und/oder die Formänderung des Formgedächtnis-Elements 27 durch Temperaturerhöhung des Materials des Formgedächtnis-Elements 27, und eine z. B. damit verbundene Ausdehnung bzw. Formänderung in Richtung 30 bzw. 31, bewirken ein Drehen des Klinkenhebels 20. Der Klinkenhebel 20 wird von dem Anschlag 29 weg in Richtung 30, 31 des Einwirkens des Aktors 26, 27 gedreht. Dabei verrichtet der Aktor 26, 27 Arbeit gegen die Federkraft 22. Bei Drehung der zweiten Seite 24 des Klinkenhebels 20 in Richtung 30, 31 wird die erste Seite des Klinkenhebels 20 in Richtung 34 gedreht.
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Der Klinkenhebel 20 bewegt sich aus der Bewegungsbahn 35 des Elements 15 mit Rad 18 und eine Bewegung des Elements 15 mit Rad 18 sowie der Welle 10, d. h. eine Expansion der Einschaltfeder 5 sowie Einschaltbewegung bzw. ein Einschalten des Leistungsschalters 1, wird freigegeben bzw. ausgelöst. Die kinematische Kette ist nicht mehr blockiert und die Einschaltbewegung, gespeichert in der Einschaltfeder 5, wird an die Kontakte bzw. Kontaktstücke des Leistungsschalters 1 bzw. der Leistungsschalterpole 2 weitergeben. Der Leistungsschalter 2 wird eingeschaltet, ausgelöst durch das Lösen der Verklinkung des Einschalt-Auslösers 16 durch den oder die Aktoren 26 und/oder 27.
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Beim Einschalten des Leistungsschalters 1 dreht sich die Spannwelle 10 um 180° in Richtung 38, und das Rad 18 bewegt sich mit der Drehbewegung des Elements 15 um die Welle 10 entlang der Bewegungsbahn 35, welche in 2 gestrichelt dargestellt ist. Das Rad 18 und die abgerundete Form des Klinkenhebels 20 auf der ersten Seite 23 zum Rad 18 weisend, verhindern ein Verkanten oder Verklemmen beim Öffnen und/oder Schließen der Verklinkung. Beim Spannen bzw. Vorspannen der Einschaltfeder 5 dreht sich die Spannwelle 10 um 180° in Richtung 38, und das Rad 18 bewegt sich mit der Drehbewegung des Elements 15 um die Welle 10 entlang der Bewegungsbahn 36, welche in 2 ebenfalls gestrichelt dargestellt ist. Nach einem Einschalten des Leistungsschalters 1 und einem Spannen der Einschaltfeder 5 ist die Spannwelle 10, und damit das Elements 15 mit Rad 18 um 360° gedreht worden und in der Ausgangsposition vor dem Einschalten.
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Um die Verklinkung zu schließen wird die Wirkung des Piezo-Elements 26 auf die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 aufgehoben und die Feder 22 mit der Federkraft in Richtung 33 bewirkt ein Drehen des Klinkenhebels 20 zurück in die Ausgangsposition vor dem Lösen der Verklinkung. Dabei zieht die Feder 22 die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 in Richtung Anschlag 29, bis der Anschlag 29 den Klinkenhebel 20 berührt und eine weitere Drehung des Klinkenhebels in Richtung 33 verhindert. Alternativ oder zusätzlich kann das Formgedächtnis-Element 27 als Aktor auf die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 einwirken und die zweite Seite 24 des Klinkenhebels 20 in eine Richtung 33 entgegengesetzt der Richtung 31 und 30 drehen. Dies erfolgt z. B. bei Abkühlung des Formgedächtnis-Elements 27, insbesondere auf die Umgebungstemperatur, z. B. beschleunigt durch eine Kühleinrichtung. Die Zeit zwischen Einschalten und Spannen der Einschaltfeder 5 und/oder die Zeit zum Einschalten und Spannen der Einschaltfeder 5 können ausreichen, um das Formgedächtnis-Element 27 auf die Umgebungstemperatur natürlich oder stimuliert abzukühlen. Damit geht das Formgedächtnis-Element 27 in seine Ausgangsform zurück und bewegt den Klinkenhebel 20 in die Ausgangsposition, die Position der verklinkten bzw. blockierten Einschaltbewegung.
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Alternativ oder zusätzlich zur Feder 22 kann ein Piezo-Elements 26 auf der zweiten Seite 24 des Klinkenhebels 20 verwendet werden, um den Klinkenhebel 20 in eine Position zum Verklinken zu bewegen. Dies ist der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt. Analog dem Piezo-Element 26 zum Öffnen der Verklinkung kann das Piezo-Element zum Schließen der Verklinkung auf die zweiten Seite 24 des Klinkenhebels 20 wirken, nur in Richtung 33 statt in Richtung 30. Dazu kann ein zusätzliches Piezo-Element verwendet werden im Bereich der Position des in 2 eingezeichneten Formgedächtnis-Elements 27. Dazu kann auch das erste Piezo-Element 26 verwendet werden, analog der Wirkungsweise des Formgedächtnis-Elements 27 in beide Richtungen 31, 33. Das Piezo-Element 26 kann fest mit dem Gehäuse und der zweiten Seite 24 des Klinkenhebels 20 verbunden sein. Bei einer angelegten Spannung dehnt sich das Piezo-Element 26 aus und der Klinkenhebel 20 wird in eine Position gedreht zum Öffnen der Verklinkung. Beim Ausschalten der Spannung oder Änderung der Polung zieht sich das Piezo-Element 26 zusammen und der Klinkenhebel 20 wird in eine Position gedreht zum Schließen der Verklinkung.
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Nach dem Drehen des Klinkenhebels 20 in eine Position der geschlossenen Verklinkung halten die Feder 22 und der Anschlag 29 den Klinkenhebel 20 in Zusammenwirken mit der Befestigung an der Achse 21 rotatorisch und translatorisch unbewegt stabil, bis ein erneutes Einschalten ausgelöst werden soll bzw. wird. Das zuvor beschriebene Verfahren wird dann wiederholt.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 17 zum Auslösen einer Ausschaltbewegung eines Leistungsschalters 1, d. h. ein Ausschalt-Auslöser 16, im Detail dargestellt. Die Wirkungsweise der Anordnung 17 zum Auslösen einer Ausschaltbewegung ist analog der zuvor in Verbindung mit 2 beschriebenen Anordnung 16 zum Auslösen einer Einschaltbewegung. Im Unterschied zur Anordnung 16, mit einer Drehung der Spannwelle 10 um 360° bei einer Einschaltbewegung und einem darauffolgendem Spannen der Einschaltfeder 5, wird bei der Anordnung 17 die Hilfswelle 19 bei einer Ausschaltbewegung nur um eine Winkel, insbesondere kleiner 180° gedreht, und bei einem darauffolgendem Spannen der Ausschaltfeder 6 zurück in die Ausgangsposition gedreht.
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Die Funktion der Entriegelung und Verriegelung bzw. Verklinkung der vorgespannten Feder, und die Funktion der Aktoren 26, 27, insbesondere in Verbindung mit dem Klinkenhebel 20, ist für die Anordnung 17 in 3 gleich der zuvor beschriebenen Anordnung 16 der 2. Der Schwenkhebel 14 mit dem Rad 18 wird dabei bei Öffnen der Verklinkung, d. h. drehen des Klinkenhebels 20 mit seiner ersten Seite 23 in Richtung 34 aus der Bewegungsbahn des Schwenkhebels 14 mit dem Rad 18, durch die Federkraft der vorgespannten Ausschaltfeder 6 in Richtung 38 gedreht, bis der Schwenkhebel 14 mit dem Rad 18 den Anschlag 37 auf der Bewegungsbahn 35 gelegen, erreicht. Dabei wird der Leistungsschalter 1 ausgeschaltet, d. h. die Bewegungsenergie, gespeichert in der Ausschaltfeder 6, wird über die kinematische Kette auf die bewegichen Kontaktstücke in den Leistungsschalterpolen 2 übertragen und die Kontakte werden elektrisch getrennt. Beim Spannen der Ausschaltfeder 5 wird die Hilfswelle 19 gedreht und der Schwenkhebel 14 mit dem Rad 18 dreht sich entlang der Bewegungsbahn 36 vom Anschlag 37 weg in die Ausgangsposition vor dem Öffnen der Verklinkung zurück. Erst darauffolgend wird der Klinkenhebel 20 von einer offenen in eine geschlossene bzw. verklinkte Position bewegt.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z.B. verschiedene Arten von aktiven Materialien verwendet werden. Statt eines oder zusätzlich zu einem Formgedächtnis-Material kann die thermische Ausdehnung beim Erwärmen eines normalen Materials zur Bewegung des Klinkenhebels 20 verwendet werden. Die Aktoren 26, 27 können an unterschiedlichen Positionen des Klinkenhebels 20 wirken, z. B. statt auf der zweiten Seite 24 auf der ersten Seite 23 des Klinkenhebels 20. Sie können allein oder in Kombination mit anderen Aktoren verwendet werden.
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Die Aktoren können auch direkt auf Elemente 15 zum Verriegeln der Schaltbewegung wirken, ohne z. B. Klinkenhebel 20. Dazu kann z. B. ein Piezo-Aktor 26 oder ein Formgedächtnis-Aktor 27 direkt bei Ausdehnung durch angelegte Spannung bzw. Änderung der Form durch Temperaturänderung in die Bewegungsbahn 35 des Elements 14, 15 bewegt werden, und die Feder 5, 6 in vorgespanntem Zustand halten. Zum Entklinken wird durch entgegengesetzte Polung der Spannung oder keine Spannung am Piezo-Aktor 26, oder durch Rückänderung der Temperatur am Formgedächtnis-Aktor 27 die Bewegung des Elements 14, 15 und damit die Schaltbewegung freigegeben.
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Ein Klinkenhebel 20 kann auch derart angeordnet sein, dass statt durch Drehbewegung um die Achse 21 das Öffnen oder Schließen der Verklinkung durch eine Translationsbewegung des Klinkenhebels 20 z. B. entlang der Längsachse des Klinkenhebels 20 erfolgt. Insbesondere kann dabei der Klinkenhebel in einer Schiene geführt, parallel der Längsachse des Elements 14, 15 in eine verriegelte Position verschoben werden, zum Verriegeln vor das Element 15 in Richtung 38 und zum Entriegeln aus der Bewegungsbahn 35 des Elements 14, 15 in Richtung 34.
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Ein Druck, und aus dem Druck am Piezo-Element 26 erzeugte Spannungen, können als Messsignal genutzt werden, um Zustände der Anordnung sensorisch zu erfassen. So kann z. B. ein Druck des Elements 14, 15 gemessen und ausgewertet werden oder ein Druck des Klinkenhebels 20 auf das Piezo-Element 26. Insbesondere bei Verwendung eines Formgedächtnis-Aktors 27 zusammen mit einem Piezo-Element 26, kann das Piezo-Element 26 als Sensor verwendet werden um den Verklinkungszustand zu bestimmen.
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Als Piezo-Materialien können z. B. Piezo-Kristalle oder piezoelektrische Keramiken, insbesondere aus Blei-Zirkonat-Titanaten oder Blei-Magnesium-Niobaten verwendet werden. Als Formgedächtnis-Materialien können z. B. Nickel-Titan Legierungen, Nitinol oder Nickel-Titan-Kupfer Legierungen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungsschalter mit Antrieb und kinematischer Kette
- 2
- Leistungsschalterpol mit Kontakt
- 3
- Antrieb
- 4
- Getriebe
- 5
- Einschaltfeder
- 6
- Ausschaltfeder
- 7
- Antriebsstange
- 8
- Spanneinrichtung, z. B. Motor
- 9
- Spanngetriebe
- 10
- Spannwelle
- 11
- Kurbelarm
- 12
- Pleuelstange
- 13
- Gehäuseteil mit Anschalg
- 14
- Schwenkhebel
- 15
- Kurvenscheibe
- 16
- Einschalt-Auslöser
- 17
- Ausschalt-Auslöser
- 18
- Rad
- 19
- Hilfswelle
- 20
- Klinkenhebel
- 21
- Achse
- 22
- Feder
- 23
- erste Seite Klinkenhebel
- 24
- zweite Seite Klinkenhebel
- 25
- Fixierung
- 26
- Piezo-Element
- 27
- Formgedächtnis-Element
- 28
- Fixierung
- 29
- Anschlag für Klinkenhebel
- 30
- Entriegelungs-Richtung Piezo-Element
- 31
- Entriegelungs-Richtung Formgedächtnis-Element
- 32
- Verriegelungs-Richtung Formgedächtnis-Element
- 33
- Verriegelungs-Richtung Feder
- 34
- Entriegelungs-Richtung Klinkenhebel
- 35
- Schaltbewegung
- 36
- Spannbewegung
- 37
- Anschlag Schwenkhebel
- 38
- Bewegungsrichtung nach Entriegelung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013224953 A1 [0004, 0028]
