DE102018216223B3 - Actuator and method for operating a high-voltage switch - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktor (10) für die Betätigung eines Hochspannungsschalters, insbesondere einer schnellen Kurzschließereinrichtung, mit einem feststehenden Stator (12) und einem entlang einer Bewegungsachse (34) linear beweglichen Läufer (14), wobei der Stator (12) eine erste Spule (24) umfasst, der Läufer (14) für eine Wechselwirkung mit der ersten Spule (24) eine zweite Spule (28) umfasst und der Stator (12) und der Läufer (14) entlang der Bewegungsachse (34) angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass beide Spulen (24, 28) zumindest bezüglich ihrer Wechselwirkung miteinander aktiv bestrombare Luftspulen sind.Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Betätigung eines Hochspannungsschalters mittels eines Aktors (10).The invention relates to an actuator (10) for actuating a high-voltage switch, in particular a fast short-circuiting device, with a fixed stator (12) and a rotor (14) which is linearly movable along a movement axis (34), the stator (12) being a first coil (24), the rotor (14) for interaction with the first coil (24) comprises a second coil (28) and the stator (12) and the rotor (14) are arranged along the movement axis (34). It is provided that both coils (24, 28) are air coils that can be energized actively, at least with regard to their interaction with one another. The invention further relates to a corresponding method for actuating a high-voltage switch by means of an actuator (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor für die Betätigung eines Hochspannungsschalters, insbesondere einer schnellen Kurzschließereinrichtung.The invention relates to an actuator for actuating a high-voltage switch, in particular a fast short-circuiting device.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Betätigung eines Hochspannungsschalters mittels eines Aktors.The invention further relates to a corresponding method for actuating a high-voltage switch by means of an actuator.

Aktoren setzen elektrische Signale in mechanische Bewegung um. In der Regel wird der Aktor über zwei Leitungen mit elektrischer Energie versorgt und liefert eine mechanische Kraft an einem beweglichen Element, welche zur Steuerung oder Betätigung weiterer technischer Systeme genutzt werden kann. Solche Antriebselemente sind im Stand der Technik bekannt.Actuators convert electrical signals into mechanical movement. As a rule, the actuator is supplied with electrical energy via two lines and supplies a mechanical force on a movable element, which can be used to control or actuate further technical systems. Such drive elements are known in the prior art.

Aus der US 4 272 661 A ist ein Schalter für hohe Spannungen bekannt, der über zwei Spulen verfügt, wovon eine eine Luftspule ist.From the US 4,272,661 A a high voltage switch is known which has two coils, one of which is an air coil.

Ein Aktor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird beispielsweise in der DE 10 2011 015 576 A1 beschrieben. Der dortige Aktor vereinigt den Antrieb eines Hubmagneten, der auf der Reluktanzkraft basiert, mit einem elektrodynamischen Aktor, der einen Kurzschlussring als weiteres Antriebssystem aufweist. In der Druckschrift wird ein Hubmagnet mit einem innerhalb eines Gehäuses durch Bestromung einer Erregerspule axial bewegbaren Anker sowie einem mit dem Anker gekoppelten, ebenfalls axial bewegbaren Kurzschlussring offenbart, wobei der Kurzschlussring lose mit dem Anker gekoppelt ist und der Anker vom Kurzschlussring nur in eine Bewegungsrichtung mit bewegbar ist.An actuator according to the features of the preamble of claim 1 is, for example, in the DE 10 2011 015 576 A1 described. The actuator there combines the drive of a lifting magnet, which is based on the reluctance force, with an electrodynamic actuator, which has a short-circuit ring as a further drive system. The publication discloses a solenoid with an armature that is axially movable within a housing by energizing an excitation coil and a short-circuit ring that is also axially movable and that is coupled to the armature, the short-circuit ring being loosely coupled to the armature and the armature from the short-circuit ring only in one direction of movement is movable.

Ein solcher Aufbau erfordert für eine ausreichende Kraft jedoch einen sehr schnellen Stromanstieg. Dies ist technisch nicht einfach realisierbar.However, such a structure requires a very rapid current rise for a sufficient force. This is not technically easy to implement.

Ferner sind Linearaktuatoren bekannt, wie beispielsweise in der DE 10 2014 203 898 A1 , die eine lineare Bewegung erzeugen. Sie basieren in der Regel auf dem Reluktanzprinzip und bestehen zumindest zu Teilen aus ferromagnetischem Material.Linear actuators are also known, for example in the DE 10 2014 203 898 A1 that produce a linear motion. They are usually based on the reluctance principle and at least partly consist of ferromagnetic material.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Aktor und ein Verfahren anzugeben, bei denen in einer möglichst kurzen Zeit eine ausreichend hohe Kraft zur Verfügung gestellt wird, um einen Hochspannungsschalter zu betätigen. Unter dem Begriff Hochspannung ist im Zusammenhang mit Schaltern eine Spannung von bevorzugt über 1 kV, insbesondere bevorzugt von mehr als 52 kV zu verstehen.It is the object of the invention to provide an actuator and a method in which a sufficiently high force is provided in the shortest possible time to operate a high-voltage switch. The term high voltage in connection with switches is to be understood as a voltage of preferably more than 1 kV, particularly preferably more than 52 kV.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The problem is solved by the features of the independent claims. Advantageous refinements are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß ist ein Aktor für die Betätigung eines Hochspannungsschalters, insbesondere einer schnellen Kurzschließereinrichtung vorgesehen, mit einem feststehenden Stator und einem entlang einer Bewegungsachse linear beweglichen Läufer, wobei der Stator eine erste Spule umfasst, der Läufer für eine Wechselwirkung mit der ersten Spule eine zweite Spule umfasst, der Stator und der Läufer entlang der Bewegungsachse angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass beide Spulen aktiv bestrombare Luftspulen sind. Bei dem erfindungsgemäßen Aktor für die Betätigung eines Hochspannungsschalters ist es somit möglich, dass die beiden Luftspulen gleichzeitig derart bestromt werden, dass sie einander gegenseitig abstoßen. Eine derartige Bestromung wird im Folgenden auch kurz als „gegensinnige Bestromung“ bezeichnet.According to the invention, an actuator is provided for actuating a high-voltage switch, in particular a fast short-circuiting device, with a fixed stator and a rotor which is linearly movable along an axis of movement, the stator comprising a first coil and the rotor for interacting with the first coil comprising a second coil , the stator and the rotor are arranged along the axis of movement. It is envisaged that both coils are active air coils. In the actuator according to the invention for actuating a high-voltage switch, it is thus possible for the two air coils to be energized at the same time in such a way that they repel one another. In the following, such energization is also referred to briefly as “opposing energization”.

Luftspulen weisen keinen weichmagnetischen Kern auf und besitzen im Vergleich zu Spulen mit weichmagnetischem Kern relativ kleine Induktivitäten. Der Verzicht auf einen weichmagnetischen Kern hat den Effekt, dass das Magnetfeld direkt von dem eingeprägten Strom erzeugt wird und die bewegungserzeugende Wechselwirkung zwischen den Magnetfeldern der beiden Luftspulen wirkt. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass Spulen ohne weichmagnetische Kerne keine Sättigung des Magnetfeldes haben und daher mit sehr hohen magnetischen Flüssen betrieben werden können. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist die gegensinnige Bestromung der Spulen, die eine starke Auslöschung des Magnetfeldes nach außen bewirkt und die resultierende Induktivität des Aktors erheblich reduziert, so dass sehr schnelle Reaktionszeiten erreicht werden können. Weil ein solcher Aktor nicht wie beispielsweise Hubmagnete über die Reluktanzkraft arbeitet, kann bei den Bauteilen auf die Verwendung von ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen, verzichtet werden. Die Wirkung des erfindungsgemäßen Aktors basiert alleine auf der Lorentzkraft, die wechselseitig durch die Wechselwirkung zwischen dem Spulenmagnetfeld der einen Spule und dem Strom in der anderen Spule erzeugt wird. Einen solchen Aktor könnte man daher auch als „Lorentzaktor“ bezeichnen. Die Kraft eines solchen Aktors wirkt auch, wenn sich der Strom in der Spule nur langsam ändert und somit über die gesamte Zeit in der die Spulen bestromt werden. Durch Verzicht auf ferromagnetisches Material sinkt die Induktivität des Aktors, wodurch der Stromanstieg im Aktor schneller erfolgen kann. Ein schneller Stromanstieg führt zu einem schnellen Kraftanstieg. Somit lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Aktor innerhalb einer Zeit t von t < 1ms insbesondere eine Kraft F von F > 1kN bereitstellen.Air coils have no soft magnetic core and have relatively small inductances compared to coils with a soft magnetic core. Dispensing with a soft magnetic core has the effect that the magnetic field is generated directly by the impressed current and the movement-generating interaction acts between the magnetic fields of the two air coils. Another decisive advantage is that coils without soft magnetic cores have no saturation of the magnetic field and can therefore be operated with very high magnetic fluxes. Another important property is the opposite energization of the coils, which causes a strong extinction of the magnetic field to the outside and significantly reduces the resulting inductance of the actuator, so that very fast response times can be achieved. Because such an actuator does not work via the reluctance force, such as, for example, lifting magnets, the use of ferromagnetic material, such as iron, for example, can be dispensed with. The effect of the actuator according to the invention is based solely on the Lorentz force, which is mutually generated by the interaction between the coil magnetic field of one coil and the current in the other coil. Such an actuator could therefore also be called a "Lorentz actuator". The force of such an actuator also acts when the current in the coil changes only slowly and therefore over the entire time in which the coils are energized. Dispensing with ferromagnetic material reduces the inductance of the actuator, which means that the current rise in the actuator can take place more quickly. A rapid increase in current leads to a rapid increase in power. A force F of F> 1kN can thus be provided with the actuator according to the invention within a time t of t <1ms.

Der Stator umfasst einen Statorgrundkörper, der aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Der Statorgrundkörper ist dazu ausgelegt die erste Spule in sich aufzunehmen. Die Herstellung des Statorgrundkörpers aus elektrisch isolierendem Material hat den Vorteil, dass beim schnellen Stromanstieg in der Spule im elektrisch isolierenden Material keine Wirbelströme induziert werden. Somit werden Kraftverluste reduziert und der Aktor kann mehr Kraft zur Verfügung stellen. Bevorzug ist der Statorgrundkörper aus Kunststoff hergestellt. The stator comprises a stator main body, which is made of an electrically insulating material. The stator body is designed to accommodate the first coil. The production of the stator base body from electrically insulating material has the advantage that no eddy currents are induced in the electrically insulating material when the current rises rapidly in the coil. In this way, power losses are reduced and the actuator can provide more power. The stator body is preferably made of plastic.

Ein derart aufgebauter Aktor eignet sich dann insbesondere für die Betätigung eines Hochspannungsschalters, insbesondere einer schnellen Kurzschließereinrichtung.An actuator constructed in this way is then particularly suitable for actuating a high-voltage switch, in particular a fast short-circuiting device.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Anschlagelement zur Begrenzung der Bewegung des Läufers vorgesehen. Insbesondere ist dieses zumindest eine Anschlagelement zum Stator beabstandet angeordnet, wobei das Anschlagelement über ein Verbindungselement fest mit dem Stator verbunden ist. Bei Betätigung des Aktors führt der Läufer eine lineare Bewegung aus. Das Anschlagelement führt dazu, dass die Bewegung des Läufers kontrolliert beendet wird. Um ein Anschlagen des Läufers am Anschlagelement zu ermöglichen ist das Anschlagelement bevorzugt so angeordnet, dass der Läufer zwischen dem Anschlagelement und dem Stator angeordnet ist. Das Anschlagelement ist über das Verbindungselement fest mit dem feststehenden Stator verbunden.According to a preferred embodiment of the invention, at least one stop element is provided to limit the movement of the rotor. In particular, this at least one stop element is arranged at a distance from the stator, the stop element being firmly connected to the stator via a connecting element. When the actuator is actuated, the rotor executes a linear movement. The stop element leads to the movement of the runner being ended in a controlled manner. In order to enable the rotor to strike the stop element, the stop element is preferably arranged such that the rotor is arranged between the stop element and the stator. The stop element is firmly connected to the fixed stator via the connecting element.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Läufer einen Läufergrundkörper umfasst, der aus zwei Bereichen besteht, wobei der erste Bereich aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und der zweite Bereich zur Versteifung des ersten Bereichs aus einem anderen Material hergestellt ist. Der erste Bereich des Läufergrundkörpers ist dazu ausgelegt die zweite Spule in sich aufzunehmen. Die Herstellung des ersten Bereichs des Läufergrundkörpers aus elektrisch isolierendem Material hat den Vorteil, dass beim schnellen Stromanstieg in der Spule im elektrisch isolierenden Material keine Wirbelströme induziert werden. Somit werden durch die Verwendung des elektrisch isolierenden Materials Kraftverluste reduziert. Bevorzugt ist der erste Bereich des Läufergrundkörpers aus Kunststoff hergestellt.According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that the rotor comprises a rotor base body, which consists of two regions, the first region being made from an electrically insulating material and the second region being made from another material for stiffening the first region , The first area of the basic rotor body is designed to accommodate the second coil. The production of the first region of the rotor base body from electrically insulating material has the advantage that no eddy currents are induced in the electrically insulating material when the current rises rapidly in the coil. Power losses are thus reduced through the use of the electrically insulating material. The first region of the rotor base body is preferably made of plastic.

Der zweite Bereich des Läufergrundkörpers ist zur Versteifung aus einem anderen Material hergestellt. Da der Läufer bei Betätigung des Aktors eine Bewegung ausführt, ist es für eine effiziente Kraftübertragung an weitere Bauteile von Vorteil, wenn der zweite Bereich des Läufergrundkörpers eine möglichst geringe Elastizität aufweist. So kommt es nicht zu Kraftverlusten aufgrund von Verformungen des Materials. Deswegen ist der zweite Bereich aus einem anderen Material als der erste Bereich des Läufergrundkörpers hergestellt. Bevorzugt ist der zweite Bereich aus einem harten, metallischen Werkstoff hergestellt.The second area of the basic rotor body is made of a different material for stiffening. Since the rotor executes a movement when the actuator is actuated, it is advantageous for efficient power transmission to other components if the second area of the basic rotor body has the least possible elasticity. So there is no loss of power due to deformation of the material. For this reason, the second region is made of a different material than the first region of the basic rotor body. The second region is preferably made of a hard, metallic material.

Alternativ ist es auch möglich, dass der Läufergrundkörper einteilig aus einem elektrisch isolierenden, jedoch mechanisch festen Kunststoffmaterial, insbesondere faserverstärktem Material oder Polyetheretherketon (PEEK), ausgestaltet ist.Alternatively, it is also possible for the basic rotor body to be made in one piece from an electrically insulating but mechanically strong plastic material, in particular fiber-reinforced material or polyether ether ketone (PEEK).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass, der Stator und der Läufer in einem Zustand, in dem beide Spulen nicht bestromt sind, möglichst direkt aneinander anliegen, insbesondere aufeinander aufliegen. Die Kraft, die der Aktor zur Verfügung stellen kann, hängt vom Abstand zwischen den beiden Spulen ab. Um eine möglichst hohe Anfangskraft ausüben zu können, ist es von Vorteil, wenn, in einem Zustand, in dem die Spulen nicht bestromt sind, der Stator und der Läufer möglichst direkt aufeinander aufliegen. Dies führt auch zu einem geringen Abstand zwischen den beiden Spulen und somit zu einer hohen Anfangskraft.In a further advantageous refinement, it is provided that, in a state in which both coils are not energized, the stator and the rotor lie as directly as possible against one another, in particular lie on one another. The force that the actuator can provide depends on the distance between the two coils. In order to be able to exert as high an initial force as possible, it is advantageous if, in a state in which the coils are not energized, the stator and the rotor rest on one another as directly as possible. This also leads to a small distance between the two coils and thus to a high initial force.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Kondensatoreinrichtung mit einem kapazitiven Bauelement vorgesehen, die zur Bestromung mit den Spulen in eine elektrisch leitende Verbindung bringbar ist. Das kapazitive Bauelement ist beispielsweise ein Kondensator. Eine Kondensatoreinrichtung hat den Vorteil, dass durch ihre Verwendung ein schneller Stromanstieg in den Spulen erzeugt werden kann. Dies führt dazu, dass der Aktor in einer kurzen Zeit eine hohe Kraft ausüben kann. Grundsätzlich kann jede Spule einzeln angesteuert werden oder beide Spulen gemeinsam. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Spulen gleichzeitig derart bestrombar sind, dass sie einander gegenseitig abstoßen. Die Kondensatoreinrichtung kann beispielsweise eine Schalteinrichtung umfassen, um das Bestromen der Spulen auszulösen. Hierfür eignet sich beispielsweise ein Thyristor.According to a preferred embodiment, a capacitor device is provided with a capacitive component, which can be brought into an electrically conductive connection for energizing the coils. The capacitive component is, for example, a capacitor. A capacitor device has the advantage that a rapid current rise in the coils can be generated through its use. This means that the actuator can exert a high force in a short time. In principle, each coil can be controlled individually or both coils together. It is advantageous if the coils can be energized at the same time in such a way that they repel one another. The capacitor device can comprise, for example, a switching device in order to trigger the energization of the coils. A thyristor, for example, is suitable for this.

Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest eine der Spulen eine Flachspule und/oder Planarspule ist. Die Form der Spule hat Auswirkungen auf die Kraftwirkung des Aktors. Grundsätzlich können für die Spule auch zwei oder mehr Spulenkörper übereinander verwendet werden. Es ist aber für die Kraftwirkung des Aktors von Vorteil, wenn die Spule möglichst flach ausgestaltet ist. Mehr Windungen der Spule in der Fläche sind vorteilhafter, als mehr Windungen der Spule in der Höhe. Bevorzugt handelt es sich bei der Spule um eine Flachspule in Drahtlegetechnik mit bevorzugt 10 bis 100 Windungen pro Lage. Alternativ kann auch eine Planarspule in Leiterplattentechnik verwendet werden.In particular, it is provided that at least one of the coils is a flat coil and / or planar coil. The shape of the coil affects the force of the actuator. In principle, two or more bobbins can be used one above the other for the coil. However, it is advantageous for the force effect of the actuator if the coil is designed as flat as possible. More turns of the coil in the area are more advantageous than more turns of the coil in height. The coil is preferably a flat coil using wire-laying technology, preferably having 10 to 100 turns per layer. Alternatively, a planar coil in printed circuit board technology can also be used.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest eine Spule spiralförmig ausgestaltet ist. Eine Spiralform hat viele Windungen in der Fläche und ist gleichzeitig flach ausgestaltet. Somit führt eine spiralförmige Spule zu einer hohen Kraftwirkung des Aktors. It is preferably provided that at least one coil is designed in a spiral shape. A spiral shape has many turns in the surface and is designed flat at the same time. A spiral coil thus leads to a high force effect of the actuator.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor zur Betätigung einer Auslösevorrichtung des Hochspannungsschalters einen mit dem Läufer verbundenen Druckstößel umfasst. Der Druckstößel überträgt die Kraft des Aktors und betätigt die Auslösevorrichtung des Hochspannungsschalters. Bevorzugt wird der Druckstößel durch das Anschlagelement, das beispielsweise als Anschlagsplatte ausgestaltet ist, hindurchgeführt. Dies führt zu einer kontrollierten Bewegung des Druckstößels, über den die Auslösevorrichtung sicher betätigt werden kann.According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that the actuator for actuating a triggering device of the high-voltage switch comprises a pressure tappet connected to the rotor. The pressure plunger transmits the force of the actuator and actuates the triggering device of the high-voltage switch. The pressure ram is preferably passed through the stop element, which is designed, for example, as a stop plate. This leads to a controlled movement of the pressure plunger, via which the triggering device can be actuated safely.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Betätigung eines Hochspannungsschalters mittels eines Aktors, wobei der Aktor einen feststehenden Stator und einen entlang einer Bewegungsachse linear beweglichen Läufer umfasst, wobei der Stator eine erste Spule umfasst, der Läufer für eine Wechselwirkung mit der ersten Spule eine zweite Spule umfasst, der Stator und der Läufer entlang der Bewegungsachse angeordnet sind und die beiden Spulen zumindest bezüglich ihrer Wechselwirkung miteinander als Luftspulen wirken, ist vorgesehen, dass zum Betätigen des Hochspannungsschalters die Spulen gleichzeitig derart aktiv bestromt werden, dass sie einander gegenseitig abstoßen.In the method according to the invention for actuating a high-voltage switch by means of an actuator, the actuator comprising a fixed stator and a rotor which is linearly movable along an axis of movement, the stator comprising a first coil, the rotor for interacting with the first coil comprising a second coil, the stator and the rotor are arranged along the movement axis and the two coils act as air coils, at least in terms of their interaction with one another, it is provided that the coils are actively energized at the same time in order to actuate the high-voltage switch in such a way that they repel one another.

Das Verfahren sieht also eine gleichzeitige gegensinnige Bestromung der beiden Luftspulen vor. Die Bestromung der Luftspulen führt dazu, dass sich jeweils ein Magnetfeld aufbaut. Durch die Lorentzkraft, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld der einen Spule mit dem Strom in der anderen Spule entsteht, stoßen sich die beiden Spulen gegenseitig ab. Die Abstoßung der beiden Spulen basiert also auf dem Prinzip zweier paralleler, stromdurchflossener Leiter.The method therefore provides for simultaneous, opposing energization of the two air coils. The energization of the air coils causes a magnetic field to build up in each case. The Lorentz force, which arises from the interaction between the magnetic field of one coil with the current in the other coil, repels the two coils. The repulsion of the two coils is based on the principle of two parallel, current-carrying conductors.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt die

  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Aktors, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 eine Schnittdarstellung durch den Aktor, gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 3 ein Ersatzschaltbild für den Aktor, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
  • 4 ein Ersatzschaltbild für den Aktor, gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In the following, exemplary embodiments of the invention are shown schematically in drawings and described in more detail below. The shows
  • 1 2 shows a perspective view of an actuator according to a preferred embodiment of the invention,
  • 2 3 shows a sectional illustration through the actuator, according to the preferred embodiment of the invention,
  • 3 an equivalent circuit diagram for the actuator, according to a further preferred embodiment of the invention and
  • 4 an equivalent circuit diagram for the actuator, according to an alternative preferred embodiment of the invention.

Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Aktors 10, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Aktor 10 weist einen Stator 12 (zuweilen auch Ständer genannt) und einen Läufer 14 auf. Der Läufer 14 ist mit einem Druckstößel 16 verbunden, der durch ein Anschlagelement 18 des Aktors 10 hindurchreicht. Das Anschlagelement 18 ist über Verbindungselemente 20 mit dem Stator 12 verbunden. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungselemente 20 als Bolzen ausgeführt.The 1 shows a perspective view of an actuator 10 , according to a preferred embodiment of the invention. The actuator 10 has a stator 12 (sometimes called a stand) and a runner 14 on. The runner 14 is with a pressure tappet 16 connected by a stop element 18 of the actuator 10 passed through. The stop element 18 is about fasteners 20 with the stator 12 connected. In the exemplary embodiment shown here, the connecting elements 20 designed as a bolt.

Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Aktors 10. In der Schnittdarstellung ist insbesondere zu erkennen, dass der Stator 12 einen Statorgrundkörper 22 und eine erste Spule 24 aufweist. Der Läufer 14 weist ebenfalls einen Läufergrundkörper 26 und eine zweiten Spule 28 auf. Die beiden im Beispiel gezeigten Spulen 24, 28 sind als Flachspulen ausgebildet. Der Läufergrundkörper 26 weist seinerseits zwei Bereiche 30, 32 auf. Der erste Bereich 30 dient zur Aufnahme der zweiten Spule 28, und der zweite Bereich 32 zur Versteifung des ersten Bereichs 30. Der Läufer 14 ist - wie bereits erwähnt - mit dem Druckstößel 16 verbunden, der durch das Anschlagelement 18 hindurchreicht. Bei Betätigung des Aktors 10 führt der Läufer 14 und mit ihm der Druckstößel 16 eine Bewegung in Richtung einer Bewegungsachse 34 aus. Bezüglich dieser Bewegungsachse 34 sind die beiden Spulen 24, 28 hintereinander angeordnet und dabei parallel zueinander ausgerichtet.The 2 shows a sectional view of the in 1 shown actuator 10 , In the sectional view it can be seen in particular that the stator 12 a stator body 22 and a first coil 24 having. The runner 14 also has a basic rotor body 26 and a second coil 28 on. The two coils shown in the example 24 . 28 are designed as flat coils. The basic runner 26 in turn has two areas 30 . 32 on. The first area 30 serves to hold the second coil 28 , and the second area 32 to stiffen the first area 30 , The runner 14 is - as already mentioned - with the pressure tappet 16 connected by the stop element 18 passed through. When actuating the actuator 10 leads the runner 14 and with it the pressure ram 16 a movement in the direction of an axis of movement 34 out. Regarding this axis of movement 34 are the two coils 24 . 28 arranged one behind the other and aligned parallel to each other.

Auf der dem Druckstößel 16 gegenüberliegenden Seite des Läufers 14 weist dieser einen Fortsatz auf, mit dem er in eine Ausnehmung des Stators 12 eingreift. Über den Druckstößel 16 und auch über den Fortsatz ist der Läufer 14 entlang der Bewegungsachse 34 beweglich geführt. On the pressure ram 16 opposite side of the runner 14 it has an extension with which it extends into a recess in the stator 12 intervenes. Via the pressure tappet 16 and also over the extension is the runner 14 along the axis of movement 34 flexibly guided.

3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Aktors 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Spulen 24, 28 sind mit einer Kondensatoreinrichtung 36 elektrisch leitend verbunden. Die Kondensatoreinrichtung 36 umfasst einen Kondensator als kapazitives Bauelement 38, und einen Thyristor 40 als schaltbares Bauelement. Der Thyristor 40 kann durch einen kleinen Strom an seiner Gate-Elektrode eingeschaltet werden. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor 40 auch ohne Gatestrom leitend. Das Ersatzschaltbild des Aktors 10 zeigt diesen als Schaltkreis in Form eines Reihenschwingkreises. Bei relativ kleiner Induktivität L1 der ersten Spule 24 und L2 der zweiten Spule 28 sowie jeweils geringem elektrischem Widerstand R1 der ersten Spule 24 und R2 der zweiten Spule ergibt sich ein sehr stark gedämpfter Resonanzkreis. Bei richtiger Auslegung der Kapazität des Kondensators kann im Schaltkreis somit keine periodische Schwingung auftreten. Mögliche Werte für die Kapazität sind z.B. C = 8,2 mF bei einer Ausgangsspannung von U = 300 V. 3 shows an equivalent circuit diagram of the actuator 10 according to a further preferred embodiment. The spools 24 . 28 are with a capacitor device 36 electrically connected. The capacitor device 36 comprises a capacitor as a capacitive component 38 , and a thyristor 40 as a switchable component. The thyristor 40 can be turned on by a small current on its gate electrode. After switching on, the thyristor remains 40 conductive even without gate current. The equivalent circuit diagram of the actuator 10 shows this as a circuit in the form of a series resonant circuit. With a relatively small inductance L 1 the first coil 24 and L 2 the second coil 28 as well as low electrical resistance R 1 the first coil 24 and R 2 the second coil results in a very strongly damped resonant circuit. With the correct design of the capacitance of the capacitor, no periodic oscillation can occur in the circuit. Possible values for the capacitance are, for example, C = 8.2 mF with an output voltage of U = 300 V.

4 zeigt ein Ersatzschaltbild des Aktors 10 gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform. Bei der hier gewählten Darstellung sind die beiden Spulen 24, 26 zusammengefasst nur einmal dargestellt. Dementsprechend ist nur eine Induktivität L12 und ein ohmscher Widerstand R12 erkennbar. 4 shows an equivalent circuit diagram of the actuator 10 according to an alternative preferred embodiment. In the illustration selected here, the two coils are 24 . 26 summarized only shown once. Accordingly, only an inductance L 12 and an ohmic resistor R 12 can be seen .

In dieser zweiten Ausführungsform wird das Verhältnis der Gesamt-Induktivität L zur Gesamt-Kapazität C so eingestellt, dass die Güte des Schaltkreises eine Schwingung erlaubt, was zur Folge hat, dass wesentlich weniger Energie in Wärme umgewandelt wird. Hierzu wird eine externe Induktivität Lx in den Schaltkreis integriert. Diese Induktivität Lx ist vorteilhaft, da der Aktor selbst wegen der gegensinnigen Bestromung eine sehr geringe eigene Induktivität besitzt und ein entsprechendes System deshalb schlechte Gütewerte realisieren würde. Im dargestellten Beispiel ist diese externe Induktivität Lx in der Kondensatoreinrichtung 36 realisiert. Bei richtiger Auslegung der Kapazität des Kondensators, der externen Induktivität und der Anfangsspannung kann der Aktor resonant beschaltet werden. Mögliche Werte sind für die Kapazität C = 0,47 mF bei einer Ausgangsspannung von U = 700 V und für die externe Induktivität Lx = 0,027 mH.In this second embodiment, the ratio of the total inductance L to the total capacitance C is set so that the quality of the circuit allows an oscillation, with the result that significantly less energy is converted into heat. For this purpose, an external inductor Lx is integrated in the circuit. This inductance Lx is advantageous because the actuator itself has very little inductance due to the opposing energization and a corresponding system would therefore implement poor quality values. In the example shown, this external inductance Lx is in the capacitor device 36 realized. If the capacitance of the capacitor, the external inductance and the initial voltage are correctly designed, the actuator can be connected resonantly. Possible values are for the capacitance C = 0.47 mF with an output voltage of U = 700 V and for the external inductance Lx = 0.027 mH.

Es ergibt sich folgende Funktion:The following function results:

Die beiden Spulen 24, 28 sind zumindest bezüglich ihrer Wechselwirkung miteinander als Luftspulen anzusehen. Die Wirkung des Aktors 10 basiert daher alleine auf der Lorentzkraft, die wechselseitig durch die Wechselwirkung zwischen dem Spulenmagnetfeld der einen Spule 24, 28 und dem Strom in der anderen Spule 28, 24 und umgekehrt erzeugt wird.The two coils 24 . 28 are to be regarded as air coils at least with regard to their interaction with one another. The effect of the actuator 10 is therefore based solely on the Lorentz force, which is mutual due to the interaction between the coil magnetic field of the one coil 24 . 28 and the current in the other coil 28 . 24 and vice versa.

Ein solcher Aktor wird bevorzugt zum Betätigen eines (nicht gezeigten) Mittel- und/oder Hochspannungsschalters genutzt. Dieser kann beispielsweise als schnelle Kurzschließereinrichtung oder als sogenannter Trenner ausgebildet sein. Alternativ kann der Aktor aber auch für andere Anwendungen genutzt werden. Zum Bewegen des Druckstößels 16 werden die Spulen 24, 28 gleichzeitig derart aktiv bestromt, dass sie einander gegenseitig abstoßen. Da der Stator 12 mit der ersten Spule 24 bezüglich des Aktors 10 feststehend ist, wird der Läufer 14 mit der zweiten Spule 28 entlang der Bewegungsachse 34 in Richtung des Anschlagelements 18 (in der Figur nach oben) verschoben. Mit dem Läufer 14 bewegt sich auch der als Betätigungselement für einen Auslösemechanismus des Hochspannungsschalters dienende Druckstößel 16 in diese Richtung.Such an actuator is preferably used to actuate a medium and / or high voltage switch (not shown). This can be designed, for example, as a fast short-circuiting device or as a so-called isolator. Alternatively, the actuator can also be used for other applications. For moving the pressure tappet 16 become the coils 24 . 28 at the same time so actively energized that they repel each other. Because the stator 12 with the first coil 24 regarding the actuator 10 is fixed, the runner 14 with the second coil 28 along the axis of movement 34 towards the stop element 18 (moved up in the figure). With the runner 14 also moves the pressure plunger serving as an actuating element for a triggering mechanism of the high-voltage switch 16 in this direction.

Den gezeigten Aktor 10 könnte man als „Lorentzaktor“ bezeichnen. Die Kraft dieses Aktors 10 wirkt über die gesamte Zeit, in der die als Luftspulen wirkenden Spulen 24, 28 bestromt werden. Durch Verzicht auf ferromagnetisches Material kann ein kurzer hoher Strompuls genutzt werden, wie er durch die Kondensatoreinrichtung 36 bereitgestellt werden kann. Insbesondere in Kombination mit einem geringen Anfangsabstand der beiden Spulen 24, 28 führt der schnelle Stromanstieg zu einem schnellen Kraftanstieg.The actuator shown 10 could be called a "Lorentz actuator". The power of this actuator 10 acts over the entire time in which the coils act as air coils 24 . 28 be energized. By dispensing with ferromagnetic material, a short, high current pulse can be used, such as that caused by the capacitor device 36 can be provided. Especially in combination with a small initial distance between the two coils 24 . 28 the rapid increase in current leads to a rapid increase in force.

Claims (9)

Aktor (10) für die Betätigung eines Hochspannungsschalters, insbesondere einer schnellen Kurzschließereinrichtung, mit einem feststehenden Stator (12) und einem entlang einer Bewegungsachse (34) linear beweglichen Läufer (14), wobei der Stator (12) eine erste Spule (24) umfasst, der Läufer (14) für eine Wechselwirkung mit der ersten Spule (24) eine zweite Spule (28) umfasst und der Stator (12) und der Läufer (14) entlang der Bewegungsachse (34) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spulen (24, 28) zumindest bezüglich ihrer Wechselwirkung miteinander aktiv bestrombare Luftspulen sind, und dass der Stator (12) einen Statorgrundkörper (22) umfasst, der aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.Actuator (10) for actuating a high-voltage switch, in particular a fast short-circuiting device, with a fixed stator (12) and a rotor (14) which is linearly movable along a movement axis (34), the stator (12) comprising a first coil (24) , The rotor (14) for interaction with the first coil (24) comprises a second coil (28) and the stator (12) and the rotor (14) are arranged along the movement axis (34), characterized in that both coils (24, 28) are air coils which can be actively energized at least with regard to their interaction, and that the stator (12) comprises a stator base body (22) which is made of an electrically insulating material. Aktor (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Anschlagelement (18) zur Begrenzung der Bewegung des Läufers (14), insbesondere ein zum Stator (12) beabstandet angeordnetes Anschlagelement (18), welches über zumindest ein Verbindungselement (20) fest mit dem Stator (12) verbunden ist.Actuator (10) after Claim 1 , characterized by a stop element (18) for limiting the movement of the rotor (14), in particular a stop element (18) which is arranged at a distance from the stator (12) and which is fixedly connected to the stator (12) via at least one connecting element (20). Aktor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (14) einen Läufergrundkörper (26) umfasst, der aus zwei Bereichen (30, 32) besteht, wobei der erste Bereich (30) aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und der zweite Bereich (32) zur Versteifung des ersten Bereichs (30) aus einem anderen Material hergestellt ist.Actuator (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the rotor (14) comprises a rotor base body (26) consisting of two regions (30, 32), the first region (30) being made of an electrically insulating material and the second region (32) for Stiffening of the first region (30) is made of a different material. Aktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) und der Läufer (14) in einem Zustand in dem beide Spulen (24, 28) nicht bestromt sind, möglichst direkt aneinander liegen.Actuator (10) according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the stator (12) and the rotor (14) are in a state in which both coils (24, 28) are not energized, as close as possible to each other. Aktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kondensatoreinrichtung (36) mit einem kapazitiven Bauelement (38), die zur Bestromung mit den Spulen (24, 28) in eine elektrisch leitende Verbindung bringbar ist.Actuator (10) according to one of the Claims 1 to 4 , characterized by a capacitor device (36) with a capacitive component (38), the can be brought into an electrically conductive connection for energizing the coils (24, 28). Aktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spulen (24, 28) eine Flachspule und/oder Planarspule ist.Actuator (10) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that at least one of the coils (24, 28) is a flat coil and / or planar coil. Aktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Spulen (24, 28) spiralförmig ausgestaltet ist.Actuator (10) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that at least one of the coils (24, 28) is of spiral configuration. Aktor (10) nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen mit dem Läufer (14) verbundenen Druckstößel (16) zur Betätigung einer Auslösevorrichtung des Hochspannungsschalters.Actuator (10) after Claim 1 to 7 , characterized by a pressure tappet (16) connected to the rotor (14) for actuating a triggering device of the high-voltage switch. Verfahren zur Betätigung eines Hochspannungsschalters mittels eines Aktors (10), wobei der Aktor (10) einen feststehenden Stator (12) und einen entlang einer Bewegungsachse (34) linear beweglichen Läufer (14) umfasst, wobei der Stator (12) eine erste Spule (24) umfasst, der Läufer (14) für eine Wechselwirkung mit der ersten Spule (24) eine zweite Spule (28) umfasst, der Stator (12) und der Läufer (14) entlang der Bewegungsachse (34) angeordnet sind, die beiden Spulen (24, 28) zumindest bezüglich ihrer Wechselwirkung miteinander Luftspulen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betätigen des Hochspannungsschalters die Spulen (24, 28) gleichzeitig derart aktiv bestromt werden, dass sie einander gegenseitig abstoßen.Method for actuating a high-voltage switch by means of an actuator (10), the actuator (10) comprising a fixed stator (12) and a rotor (14) which is linearly movable along a movement axis (34), the stator (12) comprising a first coil ( 24), the rotor (14) for interaction with the first coil (24) comprises a second coil (28), the stator (12) and the rotor (14) are arranged along the movement axis (34), the two coils (24, 28), at least with regard to their interaction with one another, are air coils, characterized in that to actuate the high-voltage switch, the coils (24, 28) are simultaneously energized in such a way that they repel one another.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4272661A (en) 1978-03-09 1981-06-09 Gould Inc. High speed vacuum interrupter
DE102011015576A1 (en) 2011-03-30 2012-10-04 Kendrion (Donaueschingen/Engelswies) GmbH Fast-switching solenoid
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