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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen elektrischen Schalter und eine Verwendung einer derartigen Antriebsvorrichtung zum Schalten eines elektrischen Leistungsschalters.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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Schnelle Schalter mit einem integrierten 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.
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In der Offenlegungsschrift
WO 2016/110430 A1 ist ein „Kopplungsglied für ein elektrisches Schaltgerät“ beschrieben, durch das ein Schaltvorgang mit der erforderlichen Dynamik ausgeführt werden kann. Dabei wird eine Rotationsbewegung des Kopplungsglieds mit Hilfe von Wickelseilen in eine Auf- und Abwärtsbewegung eines Wickelkörpers bzw. Stößels und damit in einen Schaltvorgang umgesetzt. Um die Rotation einer derartigen Seil-Rotationspendel-Kinematik in Gang zu setzen, dient als Kraftquelle bzw. als Energiespeicher ein Satz Federn, der über mehrere Primärseile kraftschlüssig mit dem Kopplungsglied verbunden ist. Der Inhalt der Offenlegungsschrift
WO 2016/110430 A1 ist Bestandteil der Patentanmeldung.
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Im vorgespannten Zustand üben die Federn auf die gegenüber der Ruhelage verdrehten Primärseile eine Kraft aus. Da die Primärseile an der Peripherie des Kopplungsglieds angreifen, wird so auf letzteres ein Drehmoment ausgeübt, das die Rotation der Seil-Rotationspendel-Kinematik in Gang setzt. Federsteifigkeit, Vorspannkraft und der durch die Details der Kraftführung über die Wickelseile und Primärseile definierten geometrischen Verhältnisse sind so ausgelegt, dass sich Schaltzeiten im Bereich von 3 ms realisieren lassen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine alternative Lösung anzugeben, durch die ein elektrischer Schaltvorgang schnell und zuverlässig ausgeführt werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Antriebsvorrichtung und der Verwendung der Antriebsvorrichtung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf einer Antriebsvorrichtung, bei der ein Federweg eines Federelements über eine zwischengeschaltete Seil-Rotationskörper-Kinematik in eine schnelle, lineare Bewegung eines Stößels umgesetzt wird. Dabei kann beispielsweise bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:4 ein Impuls von mehr als 300 Ns erzeugt werden. Die Übersetzung erfolgt durch erste und zweite Seile, die auf einem Rotationskörper auf - und abgewickelt werden, wobei eine Rotationsbewegung des Rotationskörpers in eine zur Drehachse senkrechte Linearbewegung des Stößels umgesetzt wird. Eine derartige Antriebsvorrichtung findet bei elektrischen Leistungsschaltern Verwendung, wobei mit Hilfe des Stößels ein elektrisches Kontaktsystem geöffnet und/der geschlossen werden kann.
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Die Erfindung beansprucht eine Antriebsvorrichtung für einen elektrischen Schalter, aufweisend:
- - einen stabförmigen, in axialer Richtung bewegbaren, ein
- - oder mehrteiligen Stößel zum Öffnen und/oder Schließen eines elektrischen Kontakts des Schalters,
- - einen rohrförmigen, senkrecht zur axialen Richtung des Stößels drehbar angeordneten Rotationskörper,
- - mindestens ein innerhalb des Rotationskörpers angeordnetes Federelement,
- - das Federelement und den Rotationskörper verbindende erste Seile, die angeordnet und ausgebildet sind, eine lineare Bewegung des Federelements in eine Drehbewegung des Rotationskörpers umzusetzen, und
- - ein den Rotationskörper und den Stößel verbindendes zweites Seil, das angeordnet und ausgebildet ist, eine Drehbewegung des Rotationskörpers in eine Linearbewegung des Stößels in der axialen Richtung des Stößels umzusetzen.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass elektrische Kontakte eines Schalters sicher, schnell und zuverlässig geöffnet und/oder geschlossen werden können.
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In einer Weiterbildung kann das zweite Seil ausgebildet sein, durch eine Drehbewegung des Rotationskörpers das zweite Seil auf dem Rotationskörper abzuwickeln oder aufzuwickeln, wodurch die Linearbewegung des Stößels in axialer Richtung erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Rotationskörper mit dem Federelement mittels der ersten Seile derart verbunden sein, dass in beide Drehrichtungen des Rotationskörpers eine Federkraft auf den Rotationskörper wirkt.
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Bevorzugt kann das Federelement eine Gasdruckfeder sein. Diese ist robust und sicher im Betrieb.
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In einer Weiterbildung kann der Rotationskörper einen inneren Rotor und einen darauf drehbar konzentrisch angeordneten äußeren Rotor aufweisen, wobei durch einen in einem Langloch des äußeren Rotors verfahrbar angeordneten Mitnahmebolzen des inneren Rotors der äußere Rotor mit dem inneren Rotor mitdrehen kann.
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In einer Weiterbildung kann die Antriebsvorrichtung eine außerhalb des Rotationskörpers angerordnete elektrische Antriebseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, den Rotationskörper zu drehen, wodurch das Federelement gedehnt oder gestaucht und somit vorgespannt wird.
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In einer Weiterbildung weist die Antriebsanordnung mindestens ein den Rotationskörper mit dem Stößel verbindendes Rückholseil auf, das den Stößel von einer Setzstellung in eine Ausgangsstellung zurückholt, wobei das Rückholseil auf dem Rotationskörper aufgewickelt wird.
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Die Erfindung beansprucht auch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zum Schalten eines elektrischen Leistungsschalters, wobei der Stößel einen elektrischen Kontakt öffnet und/oder schließt.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
- 1: eine seitliche Ansicht der Antriebsvorrichtung in einer Ausgangsstellung,
- 2: eine seitliche Ansicht der Antriebsvorrichtung in einer Setzstellung,
- 3: eine Schnittansicht der Antriebsvorrichtung mit einer Gasdruckfeder als Federelement und
- 4: eine Seitenansicht eines zweiteiligen Rotationskörpers.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 und 2 zeigen jeweils eine seitliche Ansicht der Antriebsvorrichtung in einer Ausgangsstellung (1) bzw. in einer Setzstellung (2). Die Antriebsvorrichtung weist einen ein- oder mehrteiligen Stößel 5 auf, mit dessen einem Ende ein nicht dargestelltes Befestigungsmittel unmittelbar oder mittelbar in einen Untergrund eintreibbar ist. Zum Erzeugen des erforderlichen Impulses wird eine Seil-Rotationskörper-Kinematik - bestehend aus einem rohrförmigen Rotationskörper 4, einem zweiten Seil 2, einem Federelementen 3 und ersten Seilen 1 - verwendet.
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Der Stößel 5 ist linear, also translatorisch in der axialen Richtung A verschiebbar, wobei der Stößel 5 entlang seiner Längsachse geführt wird. Oberhalb des Stößels 5 ist der rohrförmige Rotationskörper 4 um die Drehrichtung B drehbar gelagert, wobei die Drehachse des Rotationskörpers 4 senkrecht zur axialen Richtung A ausgerichtet ist. Der Rotationskörper 4 ist hohl und derart (nicht dargestellt) gelagert, dass eine Drehung des Rotationskörpers 4 möglichst reibungsfrei und verlustarm erfolgt.
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Die ersten Seile 1 verbinden die im Inneren des Rotationskörpers 4 angeordneten Federelemente 3 mit dem Rotationskörper 4, so dass beim Drehen des Rotationskörpers 4 die Federelemente 3 gespannt werden, wobei die ersten Seile 1 ihren Winkel zum Rotationskörper 4 andern bzw. sich schräg stellen.
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Durch drehen des Rotationskörpers 4 wird das zweite Seil 2 auf dem Rotationskörper 4 aufgewickelt. Das zweite Seil 2 verbinden die Außenseite des Rotationskörpers 4 mit dem Stößel 5, wobei durch Drehung des Rotationskörpers 4 in Drehrichtung B das zweite Seil 2 den Stößel 5 entlang der axialen Richtung A bewegt. Durch diese „scheinbare Seilverkürzung“ versetzt die Rotationsbewegung des Rotationskörpers 4 in Drehrichtung B den Stößel 5 in eine lineare Bewegung in Richtung A.
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Durch Drehen des Rotationskörpers 4 wird die Rotationskinematik vorgespannt, die Federelemente 3 werden über die ersten Seile 1 gespannt und speichern somit Energie, die bei Freilassen des Rotationsköpers 4 schlagartig in eine Drehbewegung des Rotationskörpers 4 und somit in eine Linearbewegung des Stößels 5 umgewandelt wird.
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Durch die Wahl des Innendurchmessers des Rotationskörpers 4 und die Lage der Aufhängpunkte der ersten und zweiten Seile 1, 2 kann das Übersetzungsverhältnis festgelegt werden, das den Federweg der Federelemente 3 in einen Weg des Stößels 5 umsetzt. Mit Hilfe des Rückholseils 9 kann der Stößel 5 in seine Ausgangstellung zurückgeholt werden. Das Rückholseil 9 ist außen am Rotationskörper 4 und mit seinem anderen Ende am Stößel 5 befestigt. Mit Hilfe der Umlenkrolle 18 wird das Rückholseil 9 in die axiale Richtung A umgelenkt.
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Mit einer nicht dargestellten elektrischen Antriebseinheit (beispielsweise ein Elektromotor) kann der Rotationskörper 4 gedreht werden, wodurch die Federelemente 3 gespannt oder gestaucht werden. Dadurch kann die Antriebsvorrichtung „gespannt“ werden, d.h. heißt mit Energie geladen, die in den Federelementen gespeichert ist und bei Freigabe in kinetische Energie umgewandelt wird.
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3 zeigt eine Schnittansicht der Antriebsvorrichtung mit einer Gasdruckfeder 8 als Federelement. Die ersten und zweiten Seile sind der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Im Inneren des Rotationskörpers 4 sitzt eine Gasdruckfeder 8, die mittels der ersten Seile, bei Rotation des Rotationskörpers 4 gestaucht werden kann. Die ersten Seile sind mit den Stirnflächen der Gasdruckfeder 8 und der Innenseite des Rotationskörpers 4 verbunden. Zu erkennen ist auch der Stößel 5 sowie die Umlenkrolle 18 für das nicht dargestellte Rückholseil. Der Rotationskörper 4 samt Gasdruckfeder 8 befindet sich in einem Gehäuse 21.
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In der nachveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2017 207 629 A1 sind ein bevorzugter Aufbau und die Wirkungsweise einer Gasdruckfeder näher beschrieben.
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Bei Entspannen der Gasdruckfeder 8 wird - wie zu den 1 und 2 beschrieben - mit Hilfe des zweiten Seils der Stößel 5 durch Rotation des Rotationskörpers 4 translatorisch bewegt.
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4 zeigt den rohrförmigen Rotationskörper 4 in einer zweiteiligen Ausführung, wobei ein innerer Rotor 15 konzentrisch in einem äußeren Rotor 16 zueinander verdrehbar gelagert ist. Damit sich der äußere Rotor 16 mit dem inneren Rotor 15 und umgekehrt mitdrehen kann, ist in dem äußeren Rotor 16 auf der Mantelseite ein Langloch 19 ausgebildet. In das Langloch 19 greift ein auf dem inneren Rotor 15 angeordneter Mitnahmebolzen 20 ein und kann so bei Anschlag den äußeren Rotor 16 „mitschleppen“.
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Durch eine derartige Konstruktion kann beispielsweise der äußere Rotor 16 unabhängig vom inneren Rotor 15 entsprechend der Länge des Langlochs 19 infolge seiner Trägheit drehen, solange bis der Mitnahmebolzen 20 am anderen Ende des Langlochs anschlägt. Somit kann der Impuls eines mit dem äußeren Rotor 16 über das zweite Seil verbundenen Stößels kontinuierlich abnehmen. Beim Erreichen des Anschlags wird der äußere Rotor 16 durch das nicht dargestellte Federelement wieder abgebremst. Dadurch kann überschüssige Energie, die durch einen Schaltvorgang nicht aufgebraucht wird, von dem Federelement aufgenommen werden.
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Mit Hilfe einer Vorrichtung nach den 1 bis 4 kann in einem elektrischen Leistungsschalter der elektrische Kontakt geöffnet oder geschlossen werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Seil
- 2
- zweites Seil
- 3
- Federelement
- 4
- Rotationskörper
- 5
- Stößel
- 8
- Gasdruckfeder
- 9
- Rückholseil
- 15
- innerer Rotor
- 16
- äußerere Rotor
- 18
- Umlenkrolle
- 19
- Langloch
- 20
- Mitnahmebolzen
- 21
- Gehäuse
- A
- axiale Richtung
- B
- Drehrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/110430 A1 [0004]
- DE 102017207629 A1 [0028]
