DE102017207624B4 - Auslösevorrichtung für einen Spannungsschalter, Verfahren zum Betrieb einer Auslösevorrichtung und Verwendung zum Schalten - Google Patents

Abstract

Auslösevorrichtung einer Seil-Rotationspendel-Kinematik, bei der eine Drehbewegung eines Rotationskörpers (10) mit Hilfe von Wickelseilen in eine translatorische Bewegung eines Stößels umgewandelt wird, wobei der Rotationskörper (10) gegen ein durch mindestens ein Federelement aufgebrachtes Drehmoment in einem Ruhezustand gehalten werden muss, aufweisend:- ein erstes Kronenrad (1) mit ersten Zähnen (3), das mit dem Rotationskörper (10) kraftschlüssig verbunden ist,- ein zum ersten Kronenrad (1) korrespondierendes, relativ zum ersten Kronenrad (1) entlang der Kronenradachse (K) bewegbares, nicht-drehbares zweites Kronenrad (2), dessen zweite Zähne (4) in die ersten Zähne (3) derart kraftschlüssig in Eingriff bringbar sind, dass der Rotationskörper (10) bis zu einem maximalen Drehmoment gegen eine Drehbewegung fixiert ist, und- ein Entriegelungsmittel (5), das ausgebildet ist, das zweite Kronenrad (2) aus dem Eingriff mit dem ersten Kronenrad (1) zu ziehen.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Auslösevorrichtung einer Seil-Rotationspendel-Kinematik, bei der eine Drehbewegung eines Rotationskörpers mit Hilfe von Wickelseilen in eine translatorische Bewegung eines Stößels umgewandelt wird, wobei der Rotationskörper gegen ein durch mindestens ein Federelement aufgebrachtes Drehmoment in einem Ruhezustand gehalten werden muss. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb einer derartigen Auslösevorrichtung sowie eine Verwendung zum Schalten.
• Hintergrund der Erfindung
• Hohe Kurzschlussströme bedeuten für Mittelspannungs-Schaltanlagen und -Betriebsmittel hohe mechanische und thermische Belastungen. Die mechanische Belastung ist proportional zum Quadrat des Stroms und wird von der Höhe des Stoßkurzschlussstroms bestimmt, der wenige Millisekunden nach Beginn des Kurzschlusses auftritt. Die thermische Belastung wird durch das zeitliche Stromintegral bestimmt, in das neben der Größe des Stroms auch wesentlich die Kurzschlussdauer eingeht. Um die Belastungen durch Kurzschlussströme auf die Betriebsmittel zu reduzieren, ist es daher notwendig, sowohl die Amplitude des Stoßkurzschlussstroms als auch die Kurzschlussdauer deutlich zu reduzieren.
• Schnelle Schalter mit integriertem Strombegrenzer könnten in der Lage sein, dies zu gewährleisten, indem sie den Stoßkurzschlussstrom so lange wirksam begrenzen, bis der schnelle Schalter den Stromkreis komplett unterbricht. Damit könnte es gelingen, das Stromintegral so weit zu begrenzen, dass die thermischen Belastungen der Betriebsmittel bei Kurzschluss in einem vertretbaren Rahmen bleiben.
• Die detaillierte Analyse der zeitlichen Entwicklung des Kurzschlussstroms und der daraus erwachsenden Anforderungen an eine integrierte Schalter-/Strombegrenzer-Einheit ergibt, dass diese in ca. 3 ms - vom Eintritt des Ereignisses (= Triggersignal) bis zum vollständigen Schaltvorgang - den Stromfluss unterbrochen haben muss. In der Zeitspanne von 3 ms muss die Auslösung des Schaltvorgangs erfolgt sowie der eigentliche Schaltvorgang durchgeführt sein.
• In der Offenlegungsschrift WO 2016/110430 A1 , deren Inhalt Teil der Offenbarung ist, ist ein „Kopplungsglied für ein elektrisches Schaltgerät“ beschrieben, durch welches der eigentliche Schaltvorgang mit der geforderten Dynamik ausgeführt werden kann. Damit bleibt das technische Problem zu lösen, auf ein elektrisches Triggersignal hin den Schaltvorgang auszulösen. Um die hohe Dynamik des Kopplungsglieds mit Schaltzeiten im Bereich von 2 ms nutzbar zu machen, muss der Auslösevorgang in einem Zeitfenster < 1 ms erfolgen.
• Die Geschwindigkeit der Auslösung bei bekannten Mittelspannungsschaltanlagen ist kein entscheidendes Kriterium, da deren reine Schaltzeiten im Bereich von ca. 40 ms liegen. Alternative Konzepte schneller Schalter nutzen etwa pyrotechnische Prinzipien zum Schalten (beispielseise Sprengladungen), bei denen die Auslösung anderen Kriterien gehorcht als bei einem rein mechanischen Kopplungsglied. Eine Auslösung per Sprengladung stellt außerdem bezogen auf den hier betrachteten Schalter keine erstrebenswerte Lösung dar, da diese nach erfolgter Auslösung durch einen Servicetechniker ersetzt werden muss.
• Die Patentschrift US 4 649 244 A offenbart eine Auslösevorrichtung für einen elektrischen Schalter mit einem Betätigungsmechanismus, der ein Kronenradgetriebe aufweist
• Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Auslösevorgang für Spannungsschalter mit einem Kopplungslied gemäß der Offenle gungsschrift WO 2016/110430 A1 von kleiner 1 ms sicherzustellen.
• Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Auslösevorrichtung, dem Verfahren zum Betrieb einer Auslösevorrichtung und der Verwendung zum Schalten der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Wie in der Offenlegungsschrift WO 2016/110430 A1 beschrieben, basiert das Kopplungsglied auf einer Seil-Rotationspendel-Kinematik mit Wickelseilen. Das zum „Laden“ des Seil-Rotationspendels benötigte Anfangsdrehmoment wird durch Vorspannfedern in Form von Kräften erzeugt, die über Wickelseile auf den Rotationskörper übertragen werden. Das Drehmoment, das derart erzeugt wird, beträgt etwa 300 Nm.
• Die Erfindung besteht darin, zwei gegenüberliegende Kronenräder, die sich im Eingriff befinden, durch ein Entriegelungsmittel aus dem Eingriff zu lösen, so dass eine relative Drehbewegung der Kronenräder zueinander ermöglicht wird. Eines der Kronenräder ist kraftschlüssig mit dem Rotationskörper der Seil-Rotationspendel-Kinematik verbunden. Die Kronenräder können jeweils einen oder mehrere Zahnkränze aufweisen.
• Ein Kronenrad ist per Definition ein Zahnrad, dessen Verzahnung auf der Stirnfläche eines Kreiskegels oder Kreiszylinders angebracht ist. Es wird üblicherweise zur Übertragung von Drehbewegungen zwischen zueinander winklig stehenden Wellen eingesetzt.
• Die Erfindung beansprucht eine Auslösevorrichtung einer Seil-Rotationspendel-Kinematik, bei der eine Drehbewegung eines Rotationskörpers mit Hilfe von Wickelseilen in eine translatorische Bewegung eines Stößels umgewandelt wird, wobei der Rotationskörper gegen ein durch mindestens ein Federelement aufgebrachtes Drehmoment in einem Ruhezustand gehalten werden muss. Die Vorrichtung weist auf:
• - ein erstes Kronenrad mit ersten Zähnen, das mit dem Rotationskörper kraftschlüssig verbunden ist,
• - ein zum ersten Kronenrad korrespondierendes, relativ zum ersten Kronenrad entlang der Kronenradachse bewegbares, nicht-drehbares zweites Kronenrad, dessen zweite Zähne in die ersten Zähne derart kraftschlüssig in Eingriff bringbar sind, dass der Rotationskörper bis zu einem maximalen Drehmoment gegen eine Drehbewegung fixiert ist, und
• - ein Entriegelungsmittel, das ausgebildet ist, das zweite Kronenrad aus dem Eingriff mit dem ersten Kronenrad zu bewegen, d.h. zu ziehen und damit das erste Kronenrad freizugeben.
• Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Drehbewegung eines vorgespannten Rotationskörpers sehr schnell und zuverlässig freigegeben werden kann. Bevorzugt kann die Erfindung für das Schließen des Kontakts bei Mittelspannungsschaltern verwendet werden.
• In einer Weiterbildung der Erfindung können die Zahnflanken der ersten und zweiten Zähne gegenüber der Kronenradachse geneigt ausgebildet sein. Dadurch ist eine hohe Haftreibung sichergestellt.
• In einer weiteren Ausführungsform kann das zweite Kronenrad teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet sein.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann das Entriegelungsmittel mindestens einen Elektromagnet aufweisen, der ausgebildet ist, bei Stromfluss durch eine Spule des Elektromagneten das zweite Kronenrad aus dem Eingriff mit dem ersten Kronenrad zu lösen. Dadurch ist eine schnelle und zuverlässige Entriegelung möglich.
• In einer Weiterbildung kann das zweite Kronenrad eine Ankerplatte aufweisen, die ausgebildet ist, mit dem Elektromagnet in eine magnetische Wirkverbindung zu treten.
• In einer weiteren Ausführung kann der Elektromagnet ein kreisringförmiges Joch mit einer kreisringförmigen Nut aufweisen, in der die Spule angeordnet ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können das Joch aus Edelstahl und die Spule aus Kupfer sein.
• In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung einen Kondensator aufweisen, der zum Auslösen die Energie für die Bestromung der Spule liefert.
• In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung mehrere kreisförmig angeordnete Elektromagnete mit Ferritkernen aufweisen.
• Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Auslösevorrichtung, wobei ein Triggersignal das Entriegelungsmittel zum Lösen des Eingriffs des zweiten Kronenrads von dem ersten Kronenrad ansteuert.
• Außerdem beansprucht die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Auslösevorrichtung zum Schalten eines elektrischen Schalters.
• Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
• Es zeigen:
• 1: eine räumliche Ansicht einer Auslösevorrichtung im Ruhezustand,
• 2: eine räumliche Ansicht einer Auslösevorrichtung im entriegelten Zustand,
• 3: eine räumliche Ansicht eines Elektromagneten als Entriegelungsmittel,
• 4: ein Schaltbild der Bestromung des Elektromagneten und
• 5: eine Anordnung von mehreren Elektromagneten.
• Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
• 1 und 2 zeigen eine räumliche Ansicht der Auslösevorrichtung, die zum Fixieren (1) gegen Drehung und Auslösen (2) einer Drehbewegung des Rotationskörpers 10 eingesetzt wird. Dazu weist die Auslösevorrichtung ein stirnflächig mit dem Rotationskörper 10 starr verbundenes erstes Kronenrad 1 auf, dessen erste Zähne 3 zumindest einseitig angeschrägt sind, d.h. die Zahnflanken gegenüber der Kronenachse K geneigt sind. Die Kronenradachse K fällt mit der Rotationsachse des Rotationskörpers 10 zusammen. Das erste Kronenrad 1 kann alternativ auch an einer Stelle der Mantelfläche des Rotationskörpers 10 angeordnet sein.
• Zum Fixieren des ersten Kronenrads 1 (= Ruhezustand) dient das spiegelbildlich angeordnete, nicht drehbare zweite Kronenrad 2, dessen zweite Zähne 4 mit den ersten Zähnen 3 derartig in Eingriff treten können, dass das erste Kronenrad 1 gegen Drehung gesichert ist. Durch geeignete Wahl der Schräge der Zahnflanken wird sichergestellt, dass durch Haftreibung zwischen den schrägen Zahnflanken eine genügend große Gegenkraft gegen die durch das Drehmoment wirkende tangentiale Kraftkomponente aufgebracht wird, so dass das zweite Kronenrad 2 nicht selbstständig aus dem Eingriff rutscht. Bevorzugt sind die Kronenräder 1, 2 aus Stahl gefertigt.
• Zum Lösen des Eingriffs dient das Entriegelungsmittel 5, das bevorzugt als Elektromagnet 12 ausgebildet ist, und bei Stromfluss durch die Spule oder Spulen des Elektromagneten 12 eine Kraft in Richtung der Kronenradachse K und in Richtung des Entriegelungsmittels 5 ausübt, wobei die Kraft das zweite Kronenrad 2 gegen die Haftreibung bzw. Gleitreibung aus dem Eingriff mit dem ersten Kronenrad 1 zieht. Dadurch wird eine Drehbewegung des ersten Kronenrads 1 und somit des Rotationskörpers 10 freigegeben. Bei entsprechender Dimensionierung und Anordnung des Elektromagneten kann diese Auslösung schlagartig in sehr kurzer Zeit (kleiner eine Millisekunden) erfolgen.
• Nachstehend wird an Hand der 1 und 2 die Funktion der schnellen elektro-mechanischen Auslösung ausführlich erläutert. Das Drehmoment, das durch die Vorspannfeder auf den Rotationskörper 10 wirkt, übt auf die Flanken der ersten und zweiten Zähne 3, 4 eine Kraft aus. Sind die Zahnflanken gegen die Richtung der Kronenradachse K geneigt, so ergibt sich eine bezogen auf die Zahnflanken tangentiale Kraftkomponente F_T , die in Richtung der Kronenradachse K (in 1 und 2 nach oben) zeigt. Zugleich wirkt zwischen den im Eingriff stehenden Zahnflanken eine Normalkraft F_N , die aufgrund des Haftreibungskoeffizienten µ_H der Zahnflanken (Stahl-Stahl-Paarung, daher µ_H ≈ 0,1) eine Haftreibungskraft F_H ausübt, die betragsmäßig größer, aber der tangentialen Kraft F_T entgegengesetzt ist. Geometrie und Haftreibungseigenschaften des ersten und zweiten Kronenrads 1, 2 sind so ausgelegt, dass folgender Zusammenhang gilt: $${\text{F}}_{\text{axial}}={\text{F}}_{\text{T}}-{\text{F}}_{\text{H}}<-270\text{ N}\text{.}$$

  

  Dadurch wird sichergestellt, dass das erste und zweite Kronenrad 1, 2 sicher bis zu einem maximalen Drehmoment im Eingriff bleiben.
• Mittels des Elektromagneten 12 des Entriegelungsmittels 5 kann auf die Ankerplatte 6 des zweiten Kronenrads 2 eine zeitlich veränderliche Auslösekraft F_s(t) erzeugt werden, die in axialer Richtung entgegen der Kraft F_axial (in 1 und 2 nach oben) zeigt. Die Auslösekraft F_s(t) addiert sich zu den Kräften aus Gleichung (1), so dass im Falle eines Bestromens des Elektromagneten 12 folgender Zusammenhang gilt: $${\text{F}}_{\text{axial}}={\text{F}}_{\text{T}}-{\text{F}}_{\text{H}}+{\text{F}}_{\text{s}}\left(\text{t}\right)\text{.}$$

  

  Sobald die Auslösekraft F_s(t) nach Bestromen des Elektromagneten 12 so stark angewachsen ist, dass gilt: $${\text{F}}_{\text{s}}\left(\text{t}\right)>{\text{F}}_{\text{T}}-{\text{F}}_{\text{H}},$$

  

  beginnt das zweite Kronenrad 2 sich axial in Richtung des Elektromagneten 12 zu bewegen. Diese Bewegung hat zwei vorteilhafte Auswirkungen. Zum einen geht die Haftreibungskraft F_H in eine Gleitreibungskraft F_G über, die etwa um einen Faktor 10 kleiner ist, da für eine übliche Stahl-Stahl-Paarung µ_G etwa 0,01 ist. Damit gilt ab dem Zeitpunkt, an dem die Haftreibung überwunden wird, nach obigem Beispiel: $${\text{F}}_{\text{axial}}={\text{F}}_{\text{T}}-{\text{F}}_{\text{G}}+{\text{F}}_{\text{s}}\left(\text{t}\right)>+\left(270-27\right)\text{ N= +243 N}\text{,}$$

  

  entsprechend der Differenz zwischen Haft- und Gleitreibung. Dies führt zu einer erheblichen Beschleunigung des zweiten Kronenrads 2 in Richtung zum Elektromagnet 12. Gleichzeitig wird aufgrund der Bewegung des zweiten Kronenrads 2 der Abstand zum Joch 7 des Elektromagneten 12 kleiner, so dass demzufolge die magnetischen Kräfte ansteigen.
• In 1 und 2 ist der Anfangs-Abstand zwischen Joch 7 und Ankerplatte 6 der Übersichtlichkeit wegen übertrieben groß dargestellt. In einer realen Ausführung beträgt der Abstand hingegen nur etwa 1,5 bis 2,0 mm, so dass bei Annäherung der Ankerplatte 6 an das Joch 7 die magnetische Kraft auf die Ankerplatte 6 sehr schnell ansteigt. Ebenso wächst die Beschleunigung der Ankerplatte 6 und damit des zweiten Kronenrads 2 in Richtung der Kronenradachs K. Der Bewegungsvorgang endet, sobald die Ankerplatte 6 auf das Joch 7 oder auf ein anderes, eingebautes Stoppmittel auftrifft.
• Damit dieser Auslösevorgang innerhalb eines Zeitraums von maximal einer Millisekunde abläuft, muss die magnetische Kraft, die durch den Elektromagneten 12 auf die Ankerplatte 6 ausgeübt wird, in einer Zeitspanne deutlich kleiner als 1 ms den Wert 270 N erreichen, der zur Kompensation der mechanischen Kräfte gemäß Gleichung (1) erforderlich ist. Abschätzungen und Messungen der mechanischen Dynamik ergeben eine erreichbare Zeitspanne von etwa 0,6 ms.
• 3 zeigt eine räumliche Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Elektromagneten 12, mit dem diese hohe Dynamik erreicht werden kann. Er besteht aus einem Stahl-Ring als magnetisierbares Joch 7, in dem eine konzentrisch umlaufende Nut mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet ist. In der Nut befindet sich eine Spule 8 aus Kupferdraht. In 1,5 bis 2,0 mm Entfernung zum Elektromagnet 12 befindet sich die ringförmige Ankerplatte 6 mit etwa gleichem Innen- und Außendurchmesser wie das Joch 7. Unter Beachtung der geometrischen Randbedingungen, die durch andere mechanische Komponenten beispielsweise eines Spanungsschalters gegeben sind, hat das ringförmige Joch 7 einen Innendurchmesser von etwa 90 mm und einen Außendurchmesser von etwa 110 mm. Diese Abmessungen können variieren, sofern Änderungen an der mechanischen Konstruktion eines Spannungsschalters vorgenommen werden.
• Um die Ankerplatte 6 durch magnetische Kräfte in Bewegung zu setzen, wird in der Spule 8 ein Stromfluss erzeugt. Damit in sehr kurzer Zeit hohe Kräfte auf die Ankerplate 6 wirken können, muss sich in der Anordnung aus Joch 7 und Ankerplatte 6 über den Luftspalt hinweg ein hoher magnetischer Fluss B einstellen, da für die magnetische Reluktanzkraft F_A , die über den Spalt auf die Ankerplatte 6 wirkt, die folgende Beziehung gilt: $$F_A=\frac{B^2}{{\mu }_0}A=-\frac{1}{2}\cdot I^2\cdot N^2\cdot A\cdot {\mu }_0\cdot \frac{1}{d_{Luft}}.$$

  

  Hierbei ist I der Strom durch die Spule 8, N entspricht der Anzahl der Windungen der Spule 8, B ist gleich der magnetischen Flussdichte, A die von magnetischen Feldlinien durchflutete Fläche, µ₀ die magnetische Permeabilität im Vakuum und d_Luft die Größe des Luftspalts. Aus Gleichung (5) ist zu erkennen, dass bei einer vorgegebenen Fläche A und einem vorgegebenem Luftspalt d_Luft der Stromfluss I sowie die Windungszahl N die beiden Größen sind, die geeignet gewählt werden müssen, damit sich eine ausreichend hohe Reluktanzkraft F_A einstellt.
• Allerdings steigt der elektrische Widerstand des Spulendrahts bei gegebenem Drahtdurchmesser proportional zur Windungszahl. Bei gegebener Höhe der Versorgungsspannung (beispielsweise U_Batt = 48 V) verringert sich der maximale Strom durch die Spule 8 umgekehrt proportional zur Anzahl N der Windungen. Um dies zu kompensieren, muss der Drahtdurchmesser vergrößert werden, so dass sich Probleme mit dem zur Verfügung stehenden Bauraum ergeben könnten. Hieraus ergibt sich eine Optimierungsaufgabe mit dem Ziel, bei konstruktiv vorgegebenen Randbedingungen für die Breite und Tiefe der Nut sowie unter Beachtung des Einflusses des Ohmschen Widerstands des Drahtes der Spule 8 eine Anordnung der Drahtwicklungen zu finden, bei der N * I maximal wird.
• Eine weitere Aufgabe ergibt sich aus der Tatsache, dass die für das Joch 7 des Elektromagneten 12 verwendeten ferromagnetischen Stoffe eine Sättigungsmagnetisierung B_S aufweisen, welche die magnetische Flussdichte B begrenzt. Im Sinne einer möglichst hohen magnetischen Flussdichte B im Spalt zwischen dem Joch 7 und der Ankerplatte 6 werden daher Materialien mit einer möglichst hohen Sättigungsmagnetisierung B_S verwendet. Der ferromagnetische Edelstahl 1.4003 nach EN 10027-2 erfüllt diese Bedingung mit einer Sättigungsmagnetisierung B_S = 1,8 Tesla. Im Vergleich zu Ferriten oder speziellen Sintermaterialien mit einer ähnlich hohen Sättigungsmagnetisierung B_S zeichnet sich der Edelstahl durch eine einfache Herstellung aus; Joch 7 und Ankerplate 6 können spanend gefertigt werden.
• Eigene Berechnungen liefern für die Spule 8 eine optimierte magnetische Durchflutung N * I von ca. 2500 bis 3000 Amperewindungen. Daraus folgt eine bevorzugte Anordnung mit einem Spulendrahtdurchmesser von 1,0 mm und einer Windungszahl von N = 12 (horizontal drei Windungen und vertikal vier Windungen), die einen Ohmschen Widerstand der Spule 8 aus Kupfer von etwa 0,17 Ohm ergibt.
• Um einen möglichst hohen Stromfluss von Beginn an und damit eine hohe Dynamik der Krafterzeugung sicherzustellen, wird ein Elektrolyt-Kondensator mit einer Kapazität im Bereich zwischen ca. 4 700 und 10 000 µF mit Hilfe einer 48-Volt-Spannungsquelle aufgeladen, wie im Schaltbild der 4 dargestellt ist. Bei Auftreten eines Überlast-Ereignisses (Triggersignal T) wird dieser Kondensator mittels eines Schalters (zum Beispiel IGBT mit R_{DS, on} = 30 mOhm) über die Spule 8 entladen. Damit kann kurzzeitig ein Maximal-Strom oberhalb von 200 A durch die Spule 8 fließen. Rein ohmsch wären bei einer Versorgungsspannung von 48 V 282 A möglich.
• Die nichtlinearen Materialeigenschaften des Edelstahls (zum Beispiel B-H-Kurve mit Hysterese), geometrieabhängige Wirbelströme im Joch 7 und in der Ankerplatte 6 sowie eine bewegungsabhängige Gegeninduktion erfordern eine detaillierte Auslegung mittels des Einsatzes von Simulationswerkzeugen. Mithilfe der Simulations-Software „Maxwell“ wurde unter Berücksichtigung der durch die Bewegung der Ankerplatte 6 erzeugten Gegeninduktion eine optimierte Konfiguration ermittelt, bei der F_s(t) bereits nach etwa 0,5 ms den Wert von 270 N erreicht. Damit kann sichergestellt werden, dass nach 1 ms das zweite Kronenrad 2 mechanisch komplett außer Eingriff ist, so dass die Seil-Rotationspendel-Kinematik ungehindert schwingen kann.
• Die in 3 dargestellte Anordnung aus Elektromagnet 12 und Ankerplatte 6 weist keine Maßnahmen zur Minimierung von Wirbelströmen auf - etwa in Form von Schlitzen in radialer Richtung -, die derartige Ströme unterdrücken würden. In der Tat ist dies nicht erforderlich, da sich im Grenzbereich des Luftspalts aufgrund der Geometrie der Anordnung sowie der gewählten Materialeigenschaften bereits nach sehr kurzer Zeit ein B-Feld einstellt, das so groß ist, dass die erwünschten hohen Reluktanzkräfte tatsächlich erreicht werden, obwohl im Inneren des Jochs 7 die dem Feldaufbau entgegenwirkende Wirbelstromdichte sehr hoch ist.
• Um die Anforderungen an die Elektronik zu verringern und den Maximalstrom auf unkritischere Werte zu bringen, kann die Spule 8 auch in mehrere parallel arbeitende Teilspulen aufgeteilt werden. Getestet wurde z.B. eine Anordnung mit zwei magnetisch parallelen Spulen à 2 * 6 Windungen, bei denen der Drahtdurchmesser 0,7 mm statt 1 mm beträgt. Die beiden Teilspulen wurden über entsprechende Schalter elektrisch synchron angesteuert (beispielsweise identischer Zeitverlauf des Stroms), so dass N * I den gleichen Wert annimmt wie im Falle der Einzelspule mit 1,0 mm Drahtdurchmesser.
• Eine alternative Anordnung verwendet vier Teilspulen mit 0,5 mm Drahtdurchmesser und 3 * 4 Windungen. Eine Berechnung lieferte erwartungsgemäß das gleiche Ergebnis wie eine Einzelspule.
• Als Alternative zur Anordnung der 3 mit einem Joch 7 aus Edelstahl 1.4003 kann auch eine Anordnung aus Elektromagneten 12 dienen, die gemäß 5 aus einer kreisförmigen Anordnung von Ferritkernen 11 aufgebaut ist. Ein solcher (meist rechteckiger, möglich ist aber auch eine zylindrische Form) Hochleistungs-Ferritkern 11 (B_S = 0,5 Tesla) mit darauf gewickelter Spule 8 kann auf die (ebenfalls rechteckige, mit gleichen Außenabmessungen) Deckplatte, die hier als Ankerplatte 6 dient, bei einem Anfangsspalt von 1,5 bis 2,0 mm eine Anfangskraft im Bereich von typisch 20 N ausüben, wobei die Kraft bei Bestromung der Spulen 8 ähnlich schnell aufgebaut wird wie im Beispiel aus 3. Lässt man also eine genügend große Zahl derartiger Elektromagnete 12 mechanisch parallel arbeiten, so kann die Auslösekraft auch durch derartige Standard-Bauteile erzeugt werden. Schwierig zu realisieren ist in einer solchen Anordnung die geometrische Gleichstellung /Ausrichtung der Elektromagnete 12 derart, dass längs des Umfangs gleichmäßige Kräfte erzielt werden und damit ein Verkippen bzw. Verkanten der Anordnung vermieden wird.
• Eine Rückführung des zweiten Kronenrads 2 in den Eingriff mit dem ersten Kronenrad 1 kann durch beliebige (nicht dargestellte) Stellmittel oder durch die Schwerkraft erfolgen.
• Bezugszeichenliste

1

erstes Kronenrad

2

zweites Kronenrad

3

erste Zähne

4

zweite Zähne

5

Entriegelungsmittel

6

Ankerplatte

7

Joch

8

Spule

9

Kondensator

10

Rotationskörper

11

Ferritkern

12

Elektromagnet

K

Kronenradachse

T

Triggersignal

Claims (11)

1. Auslösevorrichtung einer Seil-Rotationspendel-Kinematik, bei der eine Drehbewegung eines Rotationskörpers (10) mit Hilfe von Wickelseilen in eine translatorische Bewegung eines Stößels umgewandelt wird, wobei der Rotationskörper (10) gegen ein durch mindestens ein Federelement aufgebrachtes Drehmoment in einem Ruhezustand gehalten werden muss, aufweisend: - ein erstes Kronenrad (1) mit ersten Zähnen (3), das mit dem Rotationskörper (10) kraftschlüssig verbunden ist, - ein zum ersten Kronenrad (1) korrespondierendes, relativ zum ersten Kronenrad (1) entlang der Kronenradachse (K) bewegbares, nicht-drehbares zweites Kronenrad (2), dessen zweite Zähne (4) in die ersten Zähne (3) derart kraftschlüssig in Eingriff bringbar sind, dass der Rotationskörper (10) bis zu einem maximalen Drehmoment gegen eine Drehbewegung fixiert ist, und - ein Entriegelungsmittel (5), das ausgebildet ist, das zweite Kronenrad (2) aus dem Eingriff mit dem ersten Kronenrad (1) zu ziehen.
2. Auslösevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zahnflanken der ersten und zweiten Zähne (1, 2) gegenüber der Kronenradachse (K) geneigt ausgebildet sind.
3. Auslösevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kronenrad (2) teilweise aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist.
4. Auslösevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entriegelungsmittel (5) mindestens einen Elektromagnet (12) aufweist, der ausgebildet ist, bei Stromfluss durch eine Spule (8) des Elektromagneten (12) das zweite Kronenrad (2) aus dem Eingriff mit dem ersten Kronenrad (1) zu ziehen.
5. Auslösevorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch: - eine Ankerplatte (6) des zweiten Kronenrads (2), die ausgebildet ist, mit dem Elektromagnet (12) in magnetischer Wirkverbindung zu treten.
6. Auslösevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (12) ein kreisringförmiges Joch (7) mit einer kreisringförmigen Nut aufweist, in der die Spule (8) angeordnet ist
7. Auslösevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (7) aus Edelstahl und die Spule (8) aus Kupfer sind.
8. Auslösevorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch: - einen Kondensator (9), der zum Auslösen die Energie für die Bestromung der Spule (8) liefert.
9. Auslösevorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch: - mehrere kreisförmig angeordnete Elektromagnete (12) mit Ferritkernen (11).
10. Verfahren zum Betrieb einer Auslösevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entriegelungsmittel (5) zum Lösen des Eingriffs des zweiten Kronenrads (2) von dem ersten Kronenrad (1) durch ein Triggersignal (T) angesteuert wird.
11. Verwendung der Auslösevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Schalten eines elektrischen Spannungsschalters.

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