DE102019205576B4

DE102019205576B4 - Auslösevorrichtung für eine elektrische Schalteinrichtung und eine elektrische Schalteinrichtung mit einer solchen Auslösevorrichtung

Info

Publication number: DE102019205576B4
Application number: DE102019205576.1A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Matthias Gerlich; Gunnar Lutzke; Christian Schacherer; Florian Schirrmacher; Christian Wallner; Wolfgang Zöls
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2039-04-18
Also published as: WO2020211992A1; DE102019205576A1

Abstract

Auslösevorrichtung (1) für eine elektrische Schalteinrichtung (3), umfassend
- einen Aktor (A),
- eine zu dem Aktor (A) mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit (H),
- ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit (H) mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem (M), welches als mechanische Übersetzungseinheit für die hydraulische Übersetzungseinheit (H) wirkt,
- und einen mittels des Seilsystems (M) bewegbaren Auslösekörper (T) zur Auslösung eines Schaltvorgangs in der Schalteinrichtung (3), wobei die Auslösevorrichtung (1) wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete Teilsysteme (61, 62) aufweist,
- wobei jedes der Teilsysteme (61, 62) einen Aktor (A), eine zu dem Aktor (A) mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit (H) und ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit (H) mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem (M) aufweist,
- wobei die beiden Seilsysteme (M) mechanisch an einen gemeinsamen, übergeordneten Auslösekörper (T) gekoppelt sind,
- so dass eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Aktoren (A) zu einer gemeinsam bewirkten Bewegung des übergeordneten Auslösekörpers (T) mittels der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten (H) und der beiden Seilsysteme (M) führt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auslösevorrichtung für eine elektrische Schalteinrichtung, umfassend einen Aktor und einen bewegbaren Auslösekörper zur Auslösung eines Schaltvorgangs in der Schalteinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Schalteinrichtung mit einer solchen Auslösevorrichtung.
Nach dem Stand der Technik kommen in elektrischen Energienetzen zum Schutz der Netzkomponenten und der mit Energie zu versorgenden Geräten, Maschinen und Anlagen unterschiedliche Typen von Schalteinrichtungen zum Einsatz. Dies gilt sowohl für Niederspannungs-, Mittelspannungs- als auch Hochspannungsnetze und dabei jeweils sowohl für Gleichspannungs- als auch für Wechselspannungsnetze. Diese Schalteinrichtungen müssen häufig für sehr schnelle Schaltvorgänge ausgelegt sein, bei denen zwei elektrische Schaltkontakte sehr schnell entweder geöffnet (also auseinander bewegt) oder geschlossen (also miteinander in Kontakt gebracht) werden müssen. Um diese schnellen Schaltbewegungen zu ermöglichen, sind bei bekannten Schalteinrichtungen häufig vorgespannte Antriebsfedern vorhanden, die durch eine formschlüssige Verriegelung gesperrt sind. Diese formschlüssige Verriegelung wird häufig auch als Verklinkung bezeichnet. Zum Einleiten der entsprechenden Schaltbewegung muss diese Verriegelung gelöst werden. Hierzu werden nach dem Stand der Technik typischerweise Auslösevorrichtungen mit elektromagnetischen Aktoren verwendet. Ein solcher elektromagnetischer Aktor kann beispielsweise eine Magnetspule sein, welche durch das Anlegen einer Versorgungsspannung und den damit einhergehenden Stromfluss in der Magnetspule eine Magnetkraft auf einen Auslösestößel ausüben kann. Eine solche Auslösevorrichtung mit einer elektromagnetischen Spule ist beispielsweise in der DE 102017207624 A1 beschrieben.
Eine wesentliche Anforderung an eine solche Auslösevorrichtung ist einerseits eine relativ hohe Auslösegeschwindigkeit, wobei die gesamte Auslösezeit vom elektrischen Ansteuern des Aktors bis zum Öffnen oder Schließen der Schaltkontakte nur wenige Millisekunden betragen darf. Gleichzeitig muss eine solche Auslösevorrichtung typischerweise einen mechanischen Hub (also eine Auslenkung) von mehreren Millimetern bei einer Lastkraft von mehreren 10 Newton erreichen, um die Verriegelung der Antriebseinheit lösen zu können. Dementsprechend ergibt sich eine benötigte Schaltenergie von einigen 10 mJ bis einigen 100 mJ. Durch die kurzen Schaltzeiten von wenigen Millisekunden ergeben sich Leistungen von mehreren 10 W, wobei bei den bekannten elektromagnetischen Auslösevorrichtungen auch Leistungsspitzen von etwa 1000 W oder noch mehr auftreten können. Beispielsweise ist bei einer solchen herkömmlichen Auslösevorrichtung beim Schnellauslösen mit einer elektromagnetischen Spule als Aktor eine Spitzenleistung von 1200 W typisch.
In vielen Schaltanlagen liegt zudem eine räumliche Trennung zwischen den Schutzrelais (und damit der elektrischen Energieversorgung der Auslöseeinheit) und der Auslöseeinheit selbst vor. Bei großen Gesamtanlagen, vor allem bei Hochspannungsanwendungen im Bereich von 52 kV oder mehr, liegt nämlich häufig eine räumliche Konzentrierung aller Steuerungs- und Versorgungskomponenten einerseits (zum Beispiel in einem klimatisierten Umfeld) und der damit angesteuerten Schaltgeräte andererseits vor. Eine solche räumliche Trennung kann zum Beispiel in einer Freifeldanlage durch die hohen Anforderungen an die elektrische Isolation bedingt sein. Bei einer solchen Anordnung kann der Abstand zwischen der Energieversorgung und der Auslösevorrichtung leicht mehrere 100 m betragen. Dementsprechend ergeben sich sehr große Längen für die elektrischen Leitungen zwischen der Energieversorgung und der Auslösevorrichtung. Der durch die elektrischen Verluste bedingte Spannungsabfall über eine solche lange Leitung darf nicht zu einem unerlaubten Absinken der Spannung an der Auslöseeinheit führen. Wenn die Spannung aufgrund einer hohen Leitungsimpedanz zu stark reduziert ist, ist wiederum die mit einer elektromagnetischen Auslöseeinheit erreichbare Auslösegeschwindigkeit reduziert. Um die Leitungsimpedanz zu reduzieren, werden hierfür häufig Leitungen mit sehr hohem Leitungsquerschnitt verwendet. Dies ist jedoch mit relativ hohen Kosten verbunden.
Zudem muss die Schaltenergie für alle Auslöser zur Verfügung stehen und sie muss in einem Energiespeicher wie z.B. in einer Batterie vorgehalten werden. In größeren Umspannstationen bzw. Anlagen können mehrere 10 solcher Auslöser verbaut sein, was zu sehr großen Energiespeichern mit entsprechendem Platzbedarf führt, was ebenfalls mit hohen Kosten verbunden ist.
Insgesamt existiert ein Bedarf für eine Auslösevorrichtung einer elektrischen Schalteinrichtung, welche die oben beschriebenen Anforderungen an Geschwindigkeit, Hub und Kraft erfüllt und gleichzeitig einen möglichst niedrigen Wert für die elektrische Spitzenleistung erreicht.
Aus der FR 283 93 84 A1 ist eine Auslösevorrichtung für eine elektrische Schalteinrichtung bekannt, die einen Aktor und einen mittels eines Seilsystems bewegbaren Auslösekörper zur Auslösung eines Schaltvorgangs aufweist.
Die Verwendung einer hydraulischen Übersetzungseinheit ist aus der DE 38 43 902 A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Auslösevorrichtung für eine elektrische Schalteinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Auslösevorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche im Vergleich zum beschriebenen Stand der Technik mit einer reduzierten Spitzenleistung betrieben werden kann. Hierzu sollte die für die Schaltauslösung benötigte mechanische Energie möglichst effizient aus der elektrischen Energieversorgung umgesetzt werden. Der Leistungsbezug sollte außerdem möglichst gleichmäßig über die Dauer des Auslösevorgangs verteilt sein, um die Spitzenleistung niedrig zu halten. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Schalteinrichtung mit einer solchen Auslösevorrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Auslösevorrichtung und die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Schalteinrichtung gelöst.
Die erfindungsgemäße Auslösevorrichtung ist als Auslösevorrichtung für eine elektrische Schalteinrichtung ausgelegt. Sie umfasst einen Aktor, eine zu dem Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit sowie ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem. Dabei wirkt das Seilsystem als mechanische Übersetzungseinheit für die hydraulische Übersetzungseinheit. Weiterhin umfasst die Auslösevorrichtung einen mittels des Seilsystems bewegbaren Auslösekörper zur Auslösung eines Schaltvorgangs in der Schalteinrichtung.
Unter dem Begriff „mechanisch in Serie geschaltet“ soll hier allgemein verstanden werden, dass der Aktor mit einer Antriebsseite der hydraulischen Übersetzungseinheit kraftübertragend verbunden ist. Das Seilsystem soll also insbesondere mit der dem Aktor gegenüberliegenden Seite (also der Abtriebsseite) der hydraulischen Übersetzungseinheit kraftübertragend verbunden sein. Die hydraulische Übersetzungseinheit bildet also nach dem Aktor die erste Übersetzungsstufe, und das Seilsystem bildet eine nachgelagerte zweite Übersetzungsstufe. Durch diese beiden Stufen ergibt sich ein Gesamt-Übersetzungsverhältnis, welches aus den einzelnen Übersetzungsverhältnissen der hydraulischen Übersetzungseinheit und des Seilsystems multiplikativ zusammengesetzt ist. Das Seilsystem wiederum ist auf seiner Antriebsseite mit der hydraulischen Übersetzungseinheit mechanisch gekoppelt und auf seiner Abtriebsseite mit dem bewegbaren Auslösekörper verbunden. Bei diesem Auslösekörper kann es sich beispielsweise allgemein um einen Translationskörper oder aber auch um einen Rotationskörper handeln. Wesentlich im Zusammenhang mit der Erfindung ist nur, dass dieser Auslösekörper zur Auslösung eines Schaltvorgangs in der Schalteinrichtung verwendet werden kann. Beispielsweise kann dieser Auslösekörper eine Translationsbewegung ausführen, durch welche eine nachgelagerte Verklinkung der Schalteinrichtung gelöst wird. Der beschriebene Schaltvorgang in der Schalteinrichtung kann allgemein entweder ein Öffnen oder ein Schließen des Schalters sein.
Das Seilsystem ist insbesondere ein mechanisches Übersetzungssystem mit einem Seil als bewegungsübertragendes Bauelement. Dabei liegt die Antriebsseite im Bereich eines ersten Seilendes und die Abtriebsseite liegt im Bereich eines zweiten.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Auslösevorrichtung liegt darin, dass die Anordnung mit zwei hintereinander geschalteten Übersetzungseinheiten es ermöglicht, einen relativ großen Hub des Auslösekörpers zu erzielen, selbst wenn der verwendete Aktor selbst nur einen vergleichsweise niedrigen Hub erzeugen kann. Auf diese Weise kann insbesondere auch bei Verwendung eines Festkörperaktors mit einem kleinen Eingangshub ein für die Schaltauslösung nötiger Ausgangshub von insbesondere mehreren Millimetern erzeugt werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass dieser vergleichsweise große Hub auch bei kurzen Auslösezeiten von insbesondere nur wenigen Millisekunden erreicht werden kann. Dies ist vor allem durch die hohe Steifigkeit des gesamten Übersetzungssystems gegeben.
Zum einen kann die hydraulische Übersetzungseinheit relativ leicht mit einer hohen Steifigkeit ausgelegt werden. Dies kann insbesondere durch die Verwendung eines vergleichsweise niedrigen Arbeitsvolumens der Hydraulikflüssigkeit, durch eine möglichst geringe Leckage, durch Kammerwände mit geringer seitlicher Verformbarkeit und/oder durch die Verwendung von Kolben als Hubelementen erreicht werden. Allgemein eignen sich hydraulische Übersetzungseinheiten besonders gut für eine Hubübersetzung mit hoher Dynamik. Im vorliegenden Zusammenhang soll unter einer „hohen Dynamik“ der Übersetzungseinheit allgemein ein schnelles zeitliches Ansprechverhalten verstanden werden. Mit anderen Worten soll eine „hohe Dynamik“ bedeuten, dass eine kurze, schnelle Bewegung auf der Antriebsseite mit geringem Zeitversatz und geringer zeitlicher Dehnung in eine entsprechend kurze, schnelle Bewegung auf der Abtriebsseite übersetzt wird.
Neben der hydraulischen Übersetzungseinheit kann auch das in Serie geschaltete Seilsystem relativ leicht mit einer hohen mechanischen Steifigkeit und einer entsprechend hohen Dynamik realisiert werden. Vor allem bei der Wahl von Seilmaterialien mit geringer Elastizität und hoher Zugfestigkeit kann bei einem solchen Seilsystem relativ leicht eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig relativ geringer Masse der bewegten Teile erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der große Hub und die hohe Dynamik bei einer vergleichsweise geringen Spitzenleistung erreicht werden können. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass sowohl die Erzeugung des Hubs im Aktor als auch die Hubübersetzung in den beiden Übersetzungsstufen vergleichsweise energieeffizient erfolgen kann. Insbesondere bei Verwendung eines Festkörperaktors treten bei der Erzeugung des Primär-Hubs relativ geringe Verluste auf. Auch die hydraulische Übersetzungseinheit kann leicht mit geringen Energieverlusten betrieben werden, vor allem wenn das Arbeitsvolumen und somit die bewegte Masse der Hydraulikflüssigkeit geringgehalten werden können. Auch das Seilsystem kann leicht mit geringen Energieverlusten betrieben werden, vor allem wenn das Seil eine geringe elastische Verformbarkeit aufweist.
Zusammenfassend können also mit der erfindungsgemäßen Auslösevorrichtung die Anforderungen an die Höhe des Hubs und an die Auslösegeschwindigkeit zum Auslösen eines Schaltvorgangs realisiert werden, wobei gleichzeitig insgesamt eine energieeffiziente Umsetzung erfolgt. Dies kann insbesondere eine effiziente Umsetzung einer für den Betrieb des Aktors eingesetzten elektrischen Energie in eine mechanische Bewegungsenergie des Auslösekörper sein. Außerdem kann die Umsetzung auch leistungseffizient erfolgen.
Die erfindungsgemäße elektrische Schalteinrichtung weist eine erfindungsgemäße Auslösevorrichtung auf. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Auslösevorrichtung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Auslösevorrichtung und der elektrischen Schalteinrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
So kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform das Seilsystem als Flaschenzugsystem ausgelegt sein. Ein solches Flaschenzugsystem kann insbesondere ein bewegungsübertragendes Seil und eine Mehrzahl von Umlenkrollen aufweisen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass auf diese Weise relativ einfach ein gewünschtes Wegübersetzungsverhältnis eingestellt werden kann. Insbesondere kann das Übersetzungsverhältnis durch die Wahl der Anzahl der Umlenkrollen beeinflusst werden. Gleichzeitig kann durch die Wahl eines Seils mit einer geringen Elastizität und einer hohen Zugfestigkeit eine mechanische Übersetzungseinheit mit hoher Steifigkeit und geringer Masse zur Verfügung gestellt werden.
Bei einem solchen Flaschenzugsystem kann die Anzahl n der Umlenkrollen vorteilhaft wenigstens 2 sein, besonders vorteilhaft wenigstens 4 sein und insbesondere zwischen 2 und 20 liegen. Diese Rollen können insbesondere gruppenweise zu einzelnen Blöcken zusammengefasst sein, wobei die Rollen eines gemeinsamen Blocks jeweils an einem gemeinsamen Tragkörper fixiert sind. Insbesondere können insgesamt zwei solche gegenüberliegende Blöcke mit jeweils einer Mehrzahl von Rollen vorgesehen sein. Der Umlaufwinkel des Seils über die Rollen der beiden Blöcke kann vorteilhaft bei etwa 180° liegen. Mit anderen Worten wird dann im Wesentlichen die Hälfte einer jeden Rolle von dem Seil umlaufen.
Zusätzlich zu den beschriebenen beiden Blöcken von Rollen kann das Flaschenzugsystem auch eine weitere seitliche Umlenkrolle aufweisen, bei der der Umlaufwinkel des Seils in Abhängigkeit von der Stellposition variabel ist. Dieser variable Umlaufwinkel kann dabei insbesondere im Bereich zwischen 90° und 180° liegen. Die Variation des Umlaufwinkels ist dabei durch die Bewegung eines mit dem Seil fest verbundenen Abtriebskörpers des Seilsystems bedingt, also beispielsweise durch die Bewegung eines Stößels. Es kann sich also insbesondere um eine abtriebsseitige seitliche Umlenkrolle handeln.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführungsform und Anzahl der Umlenkrollen kann es sich bei dem Flaschenzugsystem grundsätzlich um einen Faktorenflaschenzug, einen Potenzflaschenzug und/oder um einen Differentialflaschenzug handeln.
Allgemein vorteilhaft kann das Seilsystem ein Übersetzungsverhältnis von weniger als 1 aufweisen. Mit diesem Übersetzungsverhältnis wird eine Bewegung eines Antriebskörpers des Seilsystems auf eine Bewegung eines Abtriebskörpers des Seilsystems übertragen. Bei einem Übersetzungsverhältnis unterhalb von 1 ist der Hub auf der Abtriebsseite größer als der Hub auf der Antriebsseite. Unter dem hier genannten Übersetzungsverhältnis soll also allgemein das Verhältnis vom Hub auf der Antriebsseite zum Hub auf der Abtriebsseite der jeweiligen Übersetzungsvorrichtung verstanden werden. Bei einem größer werdenden Hub ist dieses Übersetzungsverhältnis entsprechend kleiner als 1. Besonders bevorzugt weist das Seilsystem ein Übersetzungsverhältnis von 1:2 oder weniger auf.
Mit einem Übersetzungsverhältnis unterhalb von 1:2 wird also eine noch höhere als die 2fache Hubvergrößerung erhalten. Mit anderen Worten ist dann der Hub auf der Abtriebsseite im Verhältnis zum Hub auf der Antriebsseite des Seilsystems zumindest verdoppelt. Hierdurch wird in der zweiten Übersetzungsstufe der Auslösevorrichtung also ein signifikante (weitere) Hubübersetzung erreicht. Somit kann für die Auslösevorrichtung als Ganzes ein ausreichend hoher Hub des Auslösekörpers erzielt werden, welcher zum Auslösen des Schaltvorgangs ausreichend ist. Dies kann insbesondere auch für Aktoren mit vergleichsweise geringem Primärhub erreicht werden.
Mit einem Seilsystem kann vorteilhaft ein Übersetzungsverhältnis in einem allgemein vorteilhaften Bereich zwischen 1:2 und 1:50 leicht realisiert werden. Ein Übersetzungsverhältnis in einem vorteilhaften Bereich zwischen 1:2 und 1:20 kann dabei mit einem vergleichsweise geringen apparativen Aufwand realisiert werden.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Seilsystems können in der Auslösevorrichtung die hydraulische Übersetzungseinheit und das Seilsystem zusammen eine Gesamtübersetzung von höchstens 1:4 aufweisen. Mit anderen Worten können beide Übersetzungsstufen derart zusammenwirken, dass für den Auslösekörper ein im Verhältnis zum Hub des Aktors ein zumindest vervierfachter Hub erreicht wird. Besonders bevorzugt kann dieses Gesamt-Übersetzungsverhältnis bei höchstens 1:10, insbesondere höchstens 1:20, weiterhin besonders bevorzugt höchstens 1:50 und insbesondere sogar bei höchstens 1:100 liegen. Derart hohe Gesamt-Übersetzungen ermöglichen es, auch mit Primär-Aktoren mit nur sehr geringem Hub (wie beispielsweise Piezo-Aktoren) einen ausreichend hohen Hub des Auslösekörpers zu erreichen.
So kann der Auslösekörper allgemein vorteilhaft einen Hub von wenigstens 2 mm und insbesondere wenigstens 3 mm aufweisen. Mit anderen Worten kann der Auslösekörper durch den PrimärHub des Aktors und die hub-vervielfältigende Wirkung der beiden Übersetzungsstufen um wenigstens diesen Hub bewegt werden. Ein Hub des Auslösekörpers in diesem Bereich ist besonders geeignet, um eine Verklinkung in einer Schalteinrichtung zu lösen und somit den gewünschten Schaltvorgang auszulösen. Der Hub des Auslösekörpers kann beispielsweise hierzu in einem Bereich zwischen 2 mm und 6 mm liegen.
Allgemein vorteilhaft kann der Auslösekörper ein länglich geformter Stößel sein. Ein solcher Stößel kann insbesondere mit im Wesentlichen nur einem translatorischen Freiheitsgrad beweglich gelagert sein. Für eine solche eindimensional bewegliche Lagerung kann insbesondere eine Gleitbuchse zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten wirkt der Stößel dann als Translationskörper, über dessen translatorische Bewegung der Schaltvorgang ausgelöst werden kann. Die Bewegung des Seils wird dann also auf eine eindimensionale Bewegung dieses Translationskörpers übertragen.
Alternativ zu der Ausführungsform mit einem Translationskörper kann der Auslösekörper aber auch ein Rotationskörper sein. Mit anderen Worten kann die translatorische Bewegung durch die Übersetzungseinheit auch in eine Drehbewegung eines Rotationskörpers umgesetzt werden, wodurch dann insbesondere eine Arretierungsvorrichtung einer Schalteinrichtung gelöst wird. Eine solche Umsetzung ein eine Drehbewegung kann beispielsweise durch eine Verbindung mit einer Rolle erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der hydraulischen Übersetzungseinheit kann diese ein Antriebselement und ein Abtriebselement aufweisen. Sie kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine Bewegung des Antriebselements mit einem Wegübersetzungsverhältnis von kleiner 1 auf das Abtriebselement zu übertragen. Mit anderen Worten soll also auch durch die hydraulische Übersetzungseinheit eine Vergrößerung des Hubs erfolgen. Besonders vorteilhaft kann das Übersetzungsverhältnis der Hydraulikeinheit höchstens 1:2 und insbesondere 1:10, ganz besonders vorteilhaft sogar höchstens 1:20 oder sogar höchstens 1:50 sein. So kann also bereits in der ersten Stufe der gesamten Auslösevorrichtung eine entsprechende Vergrößerung des Hubs erreicht werden, wobei dieser Hub der Hydraulikeinheit dann noch einmal durch das beschriebene vorteilhafte Übersetzungsverhältnis des Seilsystems weiter vergrößert wird.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform der hydraulischen Übersetzungseinheit ist diese mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllbar. Sie weist insbesondere eine erste und eine zweite Kammer auf, welche hydraulisch miteinander verbunden sind und von denen eine als Antriebskammer und die andere als Abtriebskammer ausgebildet ist. Hierbei können Antriebskammer und Abtriebskammer allgemein entweder durch eine Leitung fluidisch verbunden sein oder aber auch als Teilbereiche eines übergeordneten Kammervolumens direkt ineinander übergehen. Dieser Grundaufbau der hydraulischen Übersetzungseinheit ist beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE 102016213654 A1 und DE 102013219759 A1 bekannt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der hydraulischen Übersetzungseinheit kann zumindest in der ersten Kammer (als entweder in der Antriebskammer und/oder in der Abtriebskammer) ein Kolben entlang einer Kolbenachse beweglich angeordnet sein. Dabei kann dieser Kolben die erste Kammer in eine volumenmäßig variable Arbeitskammer und eine Rückseitenkammer trennen, wobei die Rückseitenkammer zumindest teilweise durch ein Balgelement mit variabler axialer Länge begrenzt ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Hydraulikeinheit weder um ein reines Kolbensystem, noch um ein reines Balgsystem, sondern um ein gemischtes Kolben-Balg-System, bei denen beide Typen von Begrenzungselementen zumindest in einer der beiden Kammern nebeneinander vorliegen. Insbesondere können sogar beide Kammern (Antriebskammer und Abtriebskammer) als ein derartiges gemischtes Kolben-Balg-System realisiert sein. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen gemischten Kolben-Balg-Systems werden in der von der Siemens AG und der MetisMotion GmbH am selben Anmeldetag eingereichten internationalen Anmeldung mit dem Titel „Hydraulische Übersetzungseinheit für eine Aktoreinrichtung“ näher beschrieben, welche daher in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen sein soll. Alternativ kann die hydraulische Übersetzungseinheit aber auch als reines Kolbensystem oder auch als reines Balgsystem realisiert sein, wie sie ebenfalls in der oben zitierten parallel eingereichten Anmeldung näher beschrieben sind.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der hydraulischen Übersetzungseinheit kann diese eine Vorratskammer für die Hydraulikflüssigkeit aufweisen. Eine solche Vorratskammer kann insbesondere mit der oben beschriebenen Rückseitenkammer fluidisch verbunden oder verbindbar sein. Sie kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn eine Bewegung des Kolbens für die Rückseitenkammer nicht vollständig volumenneutral ist. Eine kleine Volumenänderung der Rückseitenkammer kann somit durch eine fluidische Ankopplung an die Vorratskammer vorteilhaft ausgeglichen werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ankopplung an eine Vorratskammer aber auch nützlich sein, um eine durch eine Temperaturänderung verursachte Volumenänderung an Hydraulikflüssigkeit auszugleichen. Bei einer besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Vorratskammer druckbeaufschlagbar. Eine solche Möglichkeit zur Druckbeaufschlagung kann beispielsweise durch ein zusätzliches Balgelement oder einen Kolben im Bereich der Vorratskammer realisiert sein. Hierüber kann die Vorratskammer mit einem Druck beaufschlagt werden, welcher beispielsweise höher oder niedriger sein kann als der Druck in der mit der Vorratskammer fluidisch gekoppelten Rückseitenkammer. So kann beispielsweise mittels eines im Bereich der Vorratskammer vorliegenden Stellelements das gesamte hydraulische System auf einen gewünschten Ausgangsdruck vorgespannt werden, wodurch insbesondere eine gewünschte Ausgangsposition eines auf der Abtriebsseite vorliegenden Abtriebskörpers eingestellt werden kann. Die sich jeweils einstellende Ausgangsposition des Abtriebskörpers hängt dabei von den Steifigkeiten der eingesetzten Balgelemente sowie den auf den Stellkörper und den Abtriebskörper wirkenden Vorspannkräften ab.
Allgemein kann die hydraulische Übersetzungseinheit mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllt sein. Bei dieser Ausführungsform ist also die Hydraulikflüssigkeit bereits Teil der Übersetzungseinheit. Zur Realisierung der Erfindung reicht es allerdings grundsätzlich aus, wenn die Übersetzungseinheit ein zur Befüllung mit der Hydraulikflüssigkeit geeignetes Kammersystem aufweist. Eine geeignete Hydraulikflüssigkeit ist beispielsweise ein Silikonöl, ein Glykol oder aber auch ein Flüssigmetall. Wenn die Übersetzungseinheit mit der Hydraulikflüssigkeit befüllt ist, findet sich diese sowohl in der Antriebskammer als auch in der Abtriebskammer (und dabei gegebenenfalls jeweils sowohl in der Arbeitskammer als auch in der Rückseitenkammer) und zusätzlich in einer oder mehreren optional vorhandenen Verbindungsleitungen und/oder Vorratskammern. Allgemein können Antriebskammer und Abtriebskammer entweder durch eine Leitung fluidisch verbunden sein oder aber auch als Teilbereiche eines übergeordneten Kammervolumens direkt ineinander übergehen.
Allgemein vorteilhaft kann das gesamte Arbeitsvolumen der hydraulischen Übersetzungseinheit 1 ml oder weniger betragen. Insbesondere kann das Arbeitsvolumen im Bereich unterhalb von 0,5 ml oder sogar unterhalb von 0,1 ml und insbesondere zwischen 0,01 ml und 0,5 ml beziehungsweise zwischen 0,01 ml und 0,1 ml liegen. Mit einem derart niedrigen Arbeitsvolumen kann besonders leicht eine Übersetzungseinheit mit einer hohen Steifigkeit und/oder hohen Dynamik realisiert werden.
Gemäß der Erfindung weist die Auslösevorrichtung wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete Teilsysteme auf. Dabei kann jedes der Teilsysteme einen Aktor, eine zu dem Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit und ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem aufweisen. Insbesondere können dabei die beiden Seilsysteme mechanisch an einen gemeinsamen, übergeordneten Auslösekörper gekoppelt sein, so dass eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Aktoren zu einer gemeinsam bewirkten Bewegung des übergeordneten Auslösekörpers mittels der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten und der beiden Seilsysteme führt.
Durch eine derartige Verdoppelung der Aktoren, der hydraulischen Übersetzungseinheiten und der Seilsysteme und durch ihre mechanische Parallelschaltung kann insbesondere bewirkt werden, dass für die Bewegung des Auslösekörpers eine entsprechend höhere Energie zur Verfügung steht. Besonders vorteilhaft ist eine symmetrische, gleichartige Ausgestaltung der beiden Teilsysteme, wodurch etwa eine Verdoppelung der zur Verfügung stehenden Energie erreicht werden kann. Insbesondere bei einer spiegelsymmetrischen Anordnung der Teilsysteme kann dabei vorteilhaft eine annähernde Verdoppelung der Energie bei einer geraden, flüssigen Bewegung des Auslösekörpers erreicht werden, da Verkantungen vorteilhaft vermieden werden. Allgemein besonders vorteilhaft können die beiden Teilsysteme in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor ein Festkörperaktor. Bei einem solchen Festkörperaktor kommen die beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der nachgeschalteten Übersetzungseinheiten besonders wirksam zum Tragen, da insbesondere der Hub eines Festkörperaktors in der Praxis stark begrenzt ist und zur Leistungsübertragung hohe Steifigkeiten in Abhängigkeit vom Aktortyp vorteilhaft sind. So weist ein Festkörperaktor typischerweise eine hohe Eigenfrequenz und damit eine vorteilhaft hohe Dynamik auf.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante ist der Festkörperaktor ein Piezoaktor. Piezoaktoren haben sich in der Vergangenheit als besonders vielversprechende Primär-Aktoren erwiesen. Mit ihnen kann eine besonders präzise Bewegung erreicht werden. Ihr Hauptnachteil, nämlich ihr geringer mechanischer Hub, kann wie beschrieben durch die nachfolgenden Übersetzungseinheiten ausgeglichen werden. Auch bei einer entsprechenden Reduktion der Kraft durch die Übersetzungsstufen ist die Kraft für die Auslösung des Schaltvorgangs trotzdem ausreichend.
Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor der Aktoreinrichtung als Piezostapelaktor ausgebildet. Ein Piezostapelaktor ist eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Serienschaltung aus mehreren einzelnen Piezoelementen, welche als Schichtstapel angeordnet sind. Ein solcher Stapelaktor ist besonders vorteilhaft, um auch schon mit dem Piezoaktor eine höhere Bewegungsamplitude zu erreichen als dies mit einem einzelnen Piezoelement möglich wäre.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Piezoaktor als Festkörperaktor beschränkt. So gelten viele der bekannten Vorteile und Nachteile von Piezoaktoren auch für andere Arten von Festkörperaktoren. Auch für sie kann ein vergleichsweise geringer Ausgangs-Hub durch die nachfolgenden Übersetzungseinheiten vergrößert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der genannte Festkörperaktor beispielsweise ein magnetostriktiver Aktor oder ein elektrostriktiver Aktor. Alternativ kann es sich bei dem Festkörperaktor auch um einen Formgedächtnis-Aktor handeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der elektrischen Schalteinrichtung kann diese als Schalteinrichtung für ein Hochspannungsnetz ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann sie auch als Schalteinrichtung für ein Mittelspannungsnetz ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann sie auch als Schalteinrichtung für ein Niederspannungsnetz ausgebildet sein. Unabhängig von dem vorgesehenen Spannungsbereich kann die Schalteinrichtung allgemein vorteilhaft als Schalteinrichtung für ein Wechselstrom-Netz vorgesehen sein. Alternativ kann sie auch vorteilhaft als Schalteinrichtung für ein Gleichstrom-Netz vorgesehen sein.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann die elektrische Schalteinrichtung einen feststehenden ersten Schaltkontakt und einen relativ zu diesem beweglichen zweiten Schaltkontakt aufweisen. Dabei kann die Auslösevorrichtung insbesondere dazu ausgebildet sein, die Bewegung des zweiten Schaltkontakts auszulösen. Der dafür typischerweise notwendige Hub kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Auslösevorrichtung auf wirksame Weise erreicht werden.
Besonders vorteilhaft kann die elektrische Schalteinrichtung zusätzlich ein Vorspannelement aufweisen, das dazu ausgelegt ist, den zweiten Schaltkontakt relativ zum ersten Schaltkontakt vorzuspannen. Insbesondere kann die Schalteinrichtung weiterhin eine Arretierungsvorrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, das Vorspannelement in einem solchen vorgespannten Zustand zu arretieren. Die Auslösevorrichtung kann dann zweckmäßig dazu ausgelegt sein, die Arretierungsvorrichtung zu lösen.
Das beschriebene Vorspannen des Vorspannelements kann dabei grundsätzlich entweder ein Vorspannen für eine Öffnungsbewegung oder ein Vorspannen für eine Schließbewegung der Schaltkontakte sein. Durch das Lösen der Arretierungsvorrichtung wird dann also entsprechend entweder die Öffnungsbewegung oder die Schließbewegung ausgelöst. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Auslösevorrichtung als Alternative zu der in der DE 102017207624 A1 beschriebenen elektromagnetischen Spule eingesetzt werden. Sie kann also in der dort beschriebenen Schalteinrichtung eingesetzt werden, um die Verklinkung der mit Zähnen versehenen Kronenräder zu lösen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Prinzipdarstellung einer elektrischen Schalteinrichtung mit einer Auslösevorrichtung nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
2 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Übersetzungseinheit zeigt,
3 eine schematische Darstellung eines Seilsystems zeigt,
4 eine schematische Darstellung eines alternativen Seilsystems zeigt,
5 das Seilsystem der 4 in einer unterschiedlichen Stellposition zeigt,
6 eine schematische Prinzipdarstellung einer Auslösevorrichtung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
7 eine schematische Darstellung der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten der 6 zeigt,
8 eine schematische Darstellung der beiden Seilsysteme der 6 zeigt,
9 eine schematische Gesamtansicht der hydraulischen Übersetzungseinheiten und der Seilsysteme der 6 zeigt,
10 den zeitlichen Verlauf der Spannung und der Hübe als Funktion der Zeit in einem solchen System zeigt und
11 den zeitlichen Verlauf von elektrischer Spannung, Strom, Leistung und Energie als Funktion der Zeit zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer elektrischen Schalteinrichtung 3 mit einer Auslösevorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dabei stehen die Verbindungen zwischen den Kästen jeweils für eine mechanische Kopplung der einzelnen Elemente. Die Auslösevorrichtung 1 umfasst einen Aktor A, eine zu dem Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit H und ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit H mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem M. Dieses Seilsystem M wirkt als mechanische Übersetzungseinheit, welche als zweite Übersetzungsstufe der hydraulischen Übersetzungseinheit H nachgeschaltet ist. Mittels des Seilsystems M ist ein Auslösekörper T bewegbar, mit welchem der eigentliche Schaltvorgang in der Schalteinrichtung 3 ausgelöst werden kann. Das eigentliche Schalten der Schalteinrichtung besteht in einem Öffnen oder Schließen zweier Schaltkontakte S1 und S2 (wie durch die entgegengesetzten Pfeile angedeutet). Dabei ist der erste dieser Schaltkontakte S1 feststehend angeordnet, und der zweite Schaltkontakt S2 ist relativ zu diesem beweglich angeordnet.
Um den Schaltvorgang auszulösen, wirkt der Auslösekörper T auf eine Arretierungsvorrichtung F. Diese Arretierungsvorrichtung F kann beispielsweise, wie durch das Piktogramm angedeutet, zwei durch Formschluss ineinander verhakte Elemente aufweisen, bei denen der Formschluss ihre Relativbewegung zueinander verhindert. Ebenfalls als Teil der Schalteinrichtung 3 ist hier ein Vorspannelement V vorgesehen, durch welches der zweite Schaltkontakt S2 bezüglich einer Öffnungsbewegung oder Schließbewegung vorgespannt ist. Durch ein Lösen des Formschlusses in der Arretierungsvorrichtung F kann mithilfe dieser Vorspannung ein schnelles Öffnen oder Schließen des Schalters erfolgen. Die eigentliche Auslösevorrichtung 1 dient also hier dazu, die Arretierung innerhalb der Arretierungsvorrichtung F zu lösen. Hierzu kann ein Hub von beispielsweise mehreren mm nötig sein. Die Auslösevorrichtung 1 ist dazu ausgelegt, diesen Hub mithilfe zweier hintereinander geschalteter Übersetzungseinheiten zu erreichen, nämlich der hydraulischen Übersetzungseinheit H und des Seilsystems M als mechanischer Übersetzungseinheit.
Der Primärhub innerhalb der Auslösevorrichtung 1 wird durch einen Aktor A erzeugt, welcher beispielsweise ein Piezoaktor sein kann. Der Hub dieses Aktors A ist mit SA bezeichnet. Dies ist gleichzeitig derjenige Hub, welcher auf der Antriebsseite Ha der nachfolgenden hydraulischen Übersetzungseinheit H wirkt. Das Übersetzungsverhältnis dieser hydraulischen Übersetzungseinheit ist im vorliegenden Beispiel so gewählt, dass der Hub auf der Abtriebsseite Hb der hydraulischen Übersetzungseinheit H im Vergleich zum Primärhub vergrößert ist. Der Hub auf der Abtriebsseite ist mit SH bezeichnet. Dies ist gleichzeitig der Hub, welcher auf der Antriebsseite Ma des nachfolgenden Seilsystems M wirkt. Die Vergrößerung der Hübe ist hierbei durch einen immer größer werdenden Pfeil verdeutlicht, wobei diese Vergrößerung jedoch nicht maßstabsgetreu ist. Auch die Richtung der Pfeile ist nur beispielhaft zu verstehen. Allgemein kann die Auslösung prinzipiell entweder durch eine Zugbewegung oder durch eine Druckbewegung auf die Arretierungsvorrichtung erfolgen. Auch durch das Übersetzungsverhältnis des nachfolgenden Seilsystems M wird eine weitere Vergrößerung des Hubs erreicht. So ist der Hub SM auf der Abtriebsseite Mb des Seilsystems M hier um einen weiteren Faktor erhöht. Diese Ausgangshub SM ist gleichzeitig derjenige Hub, welcher bei dem Auslösekörper T der Auslösevorrichtung 1 erreicht wird.
In den nachfolgenden Figuren wird nun die Wirkungsweise der beiden nacheinander geschalteten Übersetzungseinheiten näher erläutert. So zeigt 2 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Übersetzungseinheit H, wie sie beispielsweise beim Ausführungsbeispiel der 1 zum Einsatz kommen kann. Diese hydraulische Übersetzungseinheit H ist in Serie zum Aktor A geschaltet. Der Hub SA von der Antriebsseite Ha wird durch das hydraulisch gekoppelte Zusammenspiel zweier Kolben 13a und 13b in einen Hub SH auf der Abtriebsseite Hb übersetzt. Das Übersetzungsverhältnis wird dabei idealisiert durch das Verhältnis der hydraulischen Flächen der beiden zugehörigen Kolbenkörper bestimmt. Die erste Arbeitskammer 15a bildet einen durch die Kolbenbewegung variierbaren Teilbereich der Antriebskammer 11a aus, und die zweite Arbeitskammer 15b bildet einen durch die dortige Kolbenbewegung variierbaren Teilbereich der Abtriebskammer 11b aus. Die beiden Arbeitskammern 15a und 15b sind durch eine Hydraulikleitung 16 fluidisch gekoppelt. Die rückseitigen Volumina der beiden Kammern 11a und 11b sind hier gekapselt ausgeführt. Mit anderen Worten ist jede der beiden Kammern 11a beziehungsweise 11b durch den Kolben in eine Arbeitskammer 15a beziehungsweise 15b und eine Rückseitenkammer 17a beziehungsweise 17b getrennt. Die beiden Rückseitenkammern sind dabei jeweils fluidisch gegen die äußere Umgebung gekapselt. Sie sind jeweils zumindest teilweise durch ein Balgelement 19a beziehungsweise 19b mit variabler axialer Länge begrenzt. Im gezeigten Beispiel ist jeweils ein Teil der Seitenwand der betreffenden Rückseitenkammer durch einen solchen Balg gebildet. Dieser Balg ermöglicht es, dass die Rückseitenkammer gekapselt sein kann und dass trotzdem ein Volumenausgleich bei der Bewegung des jeweiligen Kolbens stattfinden kann. Beim Beispiel der 2 ist sowohl die Antriebskammer 11a als auch die Abtriebskammer 11b mit einer solchen flexibel gekapselten Rückseitenkammer realisiert. Beide Rückseitenkammern sind über eine Leitung 37 fluidisch mit einer Vorratskammer 41 für die Hydraulikflüssigkeit 7 gekoppelt. Diese Vorratskammer 41 ist seitlich durch ein Balgelement 43 begrenzt. Über eine Deckplatte 45 kann die Vorratskammer mittels eines voreingestellten Hubs SR mit einem Druck beaufschlagt werden. Über den Abtriebskörper 21b (der hier den Kolbenbolzen der Abtriebskammer darstellt) kann der entsprechend dem Übersetzungsverhältnis vergrößerte Hub SH auf das nachfolgende Seilsystem übertragen werden. Die genauere Funktionsweise und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen kombinierten Kolben-Balg-Systems sind in der oben genannten parallel eingereichten internationalen Anmeldung mit dem Titel „Hydraulische Übersetzungseinheit für eine Aktoreinrichtung“ näher beschrieben.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Seilsystems M, wie es beispielsweise in der Auslösevorrichtung der 1 zum Einsatz kommen kann. Auf der Antriebsseite dieses Seilsystems befindet sich ein Antriebskörper 103. Dieser Antriebskörper 103 kann mit dem bereits durch die Hydraulikeinheit vergrößerten Hub SH bewegt werden. Dieser Hub SH wird nun durch das nachgeschaltete Seilsystem M zu einem noch weiter vergrößerten SM auf der Abtriebsseite des Seilsystems übersetzt. Hierzu ist das Seilsystem M als Flaschenzugsystem mit einem bewegungsübertragenden Seil 101 und einer Mehrzahl von Umlenkrollen 107 ausgestaltet. Beispielhaft sind beim Seilsystem der 3 vier Umlenkrollen gezeigt. Diese Anzahl kann jedoch in einem realen System noch deutlich größer sein, um eine stärkere Vergrößerung zu erzielen. Ein Ende des bewegungsübertragenden Seils ist mit dem Antriebskörper 103 verbunden. Das gegenüberliegende Ende des Seils ist mit dem Abtriebskörper 109 verbunden. Der Abtriebskörper 109 ist hier wiederum fest mit dem eigentlichen Auslösekörper T verbunden. Dieser Auslösekörper T ist hier als Translationskörper realisiert (insbesondere als Stößel), und seine Bewegung dient zum Lösen der Arretierungsvorrichtung F, wie bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Der Translationskörper T kann in einer hier nicht näher dargestellten Gleitbuchse so gelagert sein, dass er im Wesentlichen nur entlang der Richtung des Pfeils SM eindimensional beweglich ist.
Durch die vier Umlenkrollen wird im Bereich des Abtriebskörpers 109 ein um den Faktor 4 vergrößerter Hub erzeugt, also SM = 4·SH. Dieser Faktor soll jedoch nur prinzipiell verdeutlichen, wie durch die Wahl der Anzahl der Umlenkrollen bei einem Faktorenflaschenzug ein bestimmtes gewünschtes Übersetzungsverhältnis erreicht werden kann, und zwar hier ein Verhältnis von 1:4. Die Umlenkrollen 107 sind hier gruppenweise zu zwei Blöcken zusammengefasst, welche gelegentlich aus als Scheren eines Flaschenzugs bezeichnet werden. Dabei besteht ein erster Block aus den beiden mit dem Antriebskörper 103 verbundenen Rollen. Der zweite Block besteht aus den beiden mit dem Fixierkörper 105 verbundenen Rollen. Antriebskörper 103 und Fixierkörper 105 bilden also die beiden wesentlichen Tragkörper für die Blöcke des Flaschenzugsystems aus.
In 4 ist eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels für das Seilsystem M gezeigt. Die Wirkungsweise dieses alternativen Seilsystems ist prinzipiell ähnlich wie beim Beispiel der 3. Im Unterschied zu diesem ist hier jedoch eine zusätzliche seitliche Umlenkrolle 108 vorgesehen. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Umlenkrollen 107 umläuft das Seil diese Rolle nicht mit einem Umlaufwinkel von 180°, sondern mit einem kleineren Umlaufwinkel β, welcher hier zwischen 90° und 180° liegt. Durch die zusätzliche seitliche Umlenkrolle 108 wird einerseits die Übertragung der Bewegung auf den nur linear beweglichen Auslösekörper (oder Translationskörper) T erleichtert. Andererseits kann hierdurch die erreichbare Hubvergrößerung noch weiter erhöht werden.
Der Einfluss auf das Übersetzungsverhältnis wird aus der 5 deutlich, welche das Seilsystem der 4 in einer anderen Stellposition zeigt. Im Vergleich zur Position der 4 ist hier der Antriebskörper 103 um einen bestimmten Hub SH nach oben versetzt. Dies führt im Bereich vor der abtriebsseitigen Umlenkrolle 108 zu einem Hub des Seils 103, welcher sich als Δs = 4.SH ergibt. Im Bereich nach der seitlichen Umlenkrolle 108 wirkt sich diese Änderung wie folgt aus:
Der Längenabschnitt des Seils zwischen der seitlichen Umlenkrolle 108 und dem Translationskörper T hatte in der Stellung der 4 eine Länge 1_0. Durch den Hub des Seils Δs = 4·SH vor der seitlichen Umlenkrolle verkürzt sich die Länge dieses Abschnitts auf den Wert 1_1 = l_0 - Δs. Der zwischen dem Seil 101 und dem Translationskörper T eingeschlossene Winkel verändert sich dabei von α_0 auf α_1. Der vertikale Abstand zwischen seitlicher Umlenkrolle und Translationskörper (also die Höhe des gebildeten Dreiecks) verändert sich von h_0 auf h_1, während der horizontale Abstand d aufgrund der nur eindimensional beweglichen Lagerung des Translationskörpers T konstant bleibt. Der Höhenunterschied Δh = h_1 - h_0 entspricht damit der eindimensionalen Weglänge des Translationskörpers und damit dem Hub SM. Aufgrund des Satz des Phythagoras lässt sich dieser Höhenunterschied nach der folgenden Gleichung berechnen: $SM = Δ h = h_0 - sqrt ((1_0 - Δ s) 2 - d2) .$
6 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer Auslösevorrichtung 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung. Auf diese Auslösevorrichtung kann in eine hier nicht näher dargestellte übergeordnete Schalteinrichtung 3 integriert sein, ähnlich wie beim Beispiel der 1. Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel ist hier die Auslösevorrichtung 1 aus zwei mechanisch parallel geschalteten Teilsystemen 61 und 62 zusammengesetzt. Jedes der beiden Teilsysteme weist einen Aktor A1 bzw. A2 auf, eine zu dem jeweiligen Aktor mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit H1 bzw. H2 und ein zu der jeweiligen hydraulischen Übersetzungseinheit mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem M1 bzw. M2. Die beiden Seilsysteme M1 und M2 sind mechanisch an einen gemeinsamen übergeordneten Auslösekörper T gekoppelt. Dies bewirkt, dass eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Aktoren A1 und A2 zu einer gemeinsam bewirkten Bewegung des übergeordneten Auslösekörpers T führt. Im Vergleich zur Ausführungsform der 1 mit nur einem solchen Teilsystem kann dabei die mechanische Energie zur Bewegung des Auslösekörpers in etwa verdoppelt werden.
In den nachfolgenden Figuren werden Beispiele dafür gezeigt, wie besonders vorteilhafte, symmetrische Ausgestaltungen der Hydraulikeinheiten H1 und H2 und der Seilsysteme M1 und M2 dieser beiden Teilsysteme aussehen können. So zeigt 7 eine schematische Darstellung der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten H1 und H2, wie sie insbesondere beim Beispiel der 6 zum Einsatz kommen können. Hier sind also zwei Aktoren A1 bzw. A2 jeweils mit einer zugeordneten hydraulischen Übersetzungseinheit H1 bzw. H2 mechanisch in Serie geschaltet. Die einzelnen hydraulischen Übersetzungseinheiten sind hier jeweils analog zum Beispiel der 2 ausgestaltet und in einer schmetterlingsartigen Konfiguration symmetrisch nebeneinander angeordnet. Beim gezeigten Beispiel sind die einzelnen hydraulischen Übersetzungseinheiten H1 und H2 fluidisch nicht miteinander gekoppelt. Alternativ könnten sie jedoch prinzipiell auch fluidisch gekoppelt sein, beispielsweise über eine Kopplung der beiden Vorratskammern 41 oder auch durch eine Ausgestaltung mit einer gemeinsamen Vorratskammer. Die beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten sind hier mechanisch parallelgeschaltet. Die beiden Abtriebskörper 21b sind so ausgestaltet, dass durch gleichzeitige und gleichgerichtete Ansteuerung der beiden Aktoren gleichzeitig ein gleichgerichteter Hub SH bei den beiden Abtriebskörpern 21b erzeugt wird. Die beiden mechanisch parallelgeschalteten hydraulischen Übersetzungseinheiten H1 und H2 können auch als eine übergeordnete hydraulische Übersetzungseinheit H mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen gesehen werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung der beiden Seilsysteme M1 und M2, wie sie insbesondere beim Beispiel der 6 zum Einsatz kommen können. Diese beiden Seilsysteme M1 und M2 können insbesondere über ihre beiden Antriebskörper 103 mit den Abtriebskörpern 21b der beiden Hydraulikeinheiten der 7 gekoppelt sein. Die beiden Seilsysteme M1 und M2 sind hier jeweils für sich ähnlich wie beim Beispiel der 4 und 5 ausgestaltet. Im Unterschied dazu sind hier zwei solche Seilsysteme mit ihren abtriebsseitigen Seilenden an einen gemeinsamen übergeordneten Translationskörper T gekoppelt. Die Anordnung der beiden Seilsysteme ist spiegelsymmetrisch. Sie sind schmetterlingsartig Rücken an Rücken angeordnet, sodass die beiden Seile 101 über die beiden gegenüberliegenden seitlichen Umlenkrollen 108 an dem Translationskörper T symmetrisch zusammenlaufen. Diese schmetterlingsartige Konfiguration erlaubt auf einfache Weise eine gleichmäßige, verkantungsfreie Übertragung der Bewegung auf den gemeinsam bewegten Translationskörper T. Auch hier können die beiden mechanisch parallelgeschalteten Seilsysteme M1 und M2 als ein übergeordnetes Seilsystem M mit zwei Eingängen und einem gekoppelten Ausgang angesehen werden. Für ein solches übergeordnetes Seilsystem kann auch insbesondere ein gemeinsames, durchgehendes Seil verwendet werden, welches von den Rollen der beiden Teilsysteme M1 und M2 gemeinsam genutzt wird. Auch der Antriebskörper 103 kann als eine gemeinsam genutzte durchgehende Platte realisiert sein.
9 zeigt eine schematische Gesamtansicht der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten H1 und H2 und der beiden Seilsysteme M1 und M2 aus dem Ausführungsbeispiel der 6. Insbesondere sind hier die beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten H1 und H2 der 7 in einer insgesamt symmetrischen Anordnung mit den beiden Seilsystemen M1 und M2 der 8 zusammengefügt worden. Dabei können die beiden Seilenden miteinander verbunden worden sein. Mit einer solchen symmetrischen Anordnung kann der Vorteil der Energieverdoppelung in besonders einfacher und wirksamer Weise realisiert werden. Insbesondere können alle in 9 dargestellten Elemente in einem hier nicht gezeigten gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Hiermit kann ein einfach zu handhabendes Modul zur Verfügung gestellt werden, mit welchem bei gleichzeitiger elektrischer Ansteuerung der beiden Aktoren A ein ausreichend hoher Gesamthub SM des Auslösekörpers T mit einer ausreichend hohen mechanischen Energie bewirkt werden kann.
In den 10 und 11 sind die wesentlichen physikalischen Kenngrößen für eine Realisierung der Auslösevorrichtung der 6 bis 9 gezeigt, wie sie mit einer Simulink-Simulation berechnet wurden. Gezeigt sind verschiedene physikalische Größen als Funktion der Zeit 201 in Millisekunden. So ist in der obersten Kurve der 10 die an jedem der beiden Aktoren A1, A2 anliegende elektrische Spannung 202 in Volt gezeigt. Bei diesen Aktoren handelt es sich um Piezoaktoren, welche durch Anlegen einer solchen Spannung bewegt werden können. Hier wird ein etwa deltaförmiger Spannungspuls von 160 V angelegt, welcher über einen Zeitraum von 50 ms wirkt. Die drei darunterliegenden Grafiken zeigen den daraus erzeugten Hub an verschiedenen Stellen der Auslöseeinrichtung. So ist mit dem Bezugszeichen 203 ein Hub in Mikrometern bezeichnet. Der Hub SA ist der durch jeden der beiden Piezoaktoren A1 und A2 erzeugte Primärhub, welcher als Hub auf der Antriebsseite der jeweiligen hydraulischen Übersetzungseinheit H1 bzw. H2 wirkt. Dieser Primärhub ist relativ niedrig. Durch das Übersetzungsverhältnis der jeweiligen Hydraulikeinheit wird allerdings auf deren Abtriebsseite ein deutlich vergrößerter Hub SH erreicht, welcher am Maximum der Kurve fast 400 µm erreicht. In der dritten Graphik ist mit 204 ein Hub in Millimetern bezeichnet. Hier ist der beschriebene Hub SH, der auf der Antriebsseite des jeweils nachfolgenden Seilsystems wirkt, mit dem Hub Δs verglichen, der im Bereich der jeweiligen seitlichen Umlenkrollen 108 vorliegt. Dieser Hub Δs liegt am Maximum bereits im Bereich von etwa 3 mm. Auch in der vierten Graphik ist mit 204 ein Hub in Millimetern bezeichnet. Hier ist der Hub des Seils Δs mit dem Hub SM verglichen, der auf der Abtriebsseite des gesamten Seilsystems, also im Bereich des Auslösekörpers T, vorliegt. Durch die Funktion der jeweiligen seitlichen Umlenkrolle 108 liegt hier noch eine zusätzliche Hubvergrößerung vor, so dass beim Auslösekörper T ein Hub SM von etwa 7 mm erreicht wird. Beim Überschreiten einer Hubschwelle von etwa 3 bis 4 mm kann mit dem Auslösekörper T eine typische nachfolgende Verklinkung gelöst werden. Diese Hubschwelle wird für den Hub SM nach nur wenigen Millisekunden erreicht. Somit sind die Anforderungen an die Dynamik der Auslösevorrichtung erfüllt. Durch die Verwendung von zwei Teilsystemen kann auch die für die Auslösung notwendige mechanische Energie (mit anderen Worten: bei gegebenem Hub die notwendige Kraft) erreicht werden.
In den einzelnen Grafiken der 11 sind verschiedene elektrische Parameter gezeigt, welche sich aus der Simulation für die Ansteuerung der beiden Aktoren A1 und A2 ergeben. So zeigt die oberste Kurve wiederum die an dem jeweiligen Piezoaktor anliegende Spannung 202 in Volt als Funktion der Zeit 201 in Millisekunden. Im Unterschied zur 10 sind hier nur etwa die ersten 30 ms nach dem Beginn des Spannungspulses gezeigt. Die zweite Kurve zeigt den Strom 205 in Ampere, welcher beim Ansteuern der beiden Piezoaktoren fließt. Das Maximum des Stroms liegt hier bei knapp 7 A. Die dritte Kurve zeigt die elektrische Leistung 206 in Watt. Die elektrische Spitzenleistung liegt hier bei knapp 350 W. Die vierte Kurve zeigt die insgesamt aufgenommene elektrische Energie 207 in mJ. Sowohl die elektrische Spitzenleistung als auch die insgesamt aufgenommene Energie liegen deutlich niedriger als bei dem oben beschriebenen vergleichbaren elektromagnetischen Aktor, bei welchem eine Spitzenleitung von 1200 W gemessen wurde.
Mit der beschriebenen Auslösevorrichtung können also die vorgegebenen Parameter für den Hub, die Dynamik und die Kraft bei der Bewegung des Auslösekörpers T realisiert werden, wobei gleichzeitig die elektrische Spitzenleistung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert ist. Dies bewirkt auch, dass für eine elektrische Leitung zum jeweiligen Aktor ein wesentlich niedrigerer Leitungsquerschnitt als beim Stand der Technik zum Einsatz kommen kann.
Bezugszeichenliste

1: Auslösevorrichtung
3: elektrische Schalteinrichtung
7: Hydraulikflüssigkeit
11a: erste Kammer (Antriebskammer)
11b: zweite Kammer (Abtriebskammer)
13a: erster Kolben (Antriebskolben)
13b: zweiter Kolben (Abtriebskolben)
15a: erste Arbeitskammer
15b: zweite Arbeitskammer
16: Hydraulikleitung
17a: erste Rückseitenkammer
17b: zweite Rückseitenkammer
19a: erstes Balgelement
19b: zweites Balgelement
21b: Abtriebskörper
37: Leitung
41: Vorratskammer
43: Balgelement
45: Deckplatte
61: erstes Teilsystem
62: zweites Teilsystem
101: Seil
103: Antriebskörper des Seilsystems
105: Fixierkörper des Seilsystems
107: Umlenkrolle
108: seitliche Umlenkrolle
109: Abtriebskörper des Seilsystems
201: Zeit in ms
202: Spannung in V
203: Hub in µm
204: Hub in mm
205: Strom in A
206: Leistung in W
207: Energie in mJ
A: Aktor
A1: Aktor des ersten Teilsystems
A2: Aktor des zweiten Teilsystems
α_0: Umlenkwinkel
α_1: Umlenkwinkel
β: Umlaufwinkel des Seils
d: seitlicher Abstand
Δs: Hub vor der seitlichen Umlenkrolle
Δh: Höhenunterschied
F: Arretierungsvorrichtung
h_0: Höhe
h_1: Höhe
H: hydraulische Übersetzungseinheit
Ha: Antriebsseite der hydraulischen Übersetzungseinheit
Hb: Abtriebsseite der hydraulischen Übersetzungseinheit
H1: Hydraulikeinheit des ersten Teilsystems
H2: Hydraulikeinheit des zweiten Teilsystems
1_0: Längenabschnitt
1_1: Längenabschnitt
M: Seilsystem
Ma: Antriebsseite des Seilsystems
Mb: Abtriebsseite des Seilsystems
M1: Seilsystem des ersten Teilsystems
M2: Seilsystem des zweiten Teilsystems
SA: Hub auf der Antriebsseite der Hydraulikeinheit
SH: Hub auf der Abtriebsseite der Hydraulikeinheit
SM: Hub auf der Abtriebsseite des Seilsystems
SR: Hub an der Vorratskammer
S1: erster Schaltkontakt
S2: zweiter Schaltkontakt
T: Auslösekörper
V: Vorspannelement

Claims

Auslösevorrichtung (1) für eine elektrische Schalteinrichtung (3), umfassend - einen Aktor (A), - eine zu dem Aktor (A) mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit (H), - ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit (H) mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem (M), welches als mechanische Übersetzungseinheit für die hydraulische Übersetzungseinheit (H) wirkt, - und einen mittels des Seilsystems (M) bewegbaren Auslösekörper (T) zur Auslösung eines Schaltvorgangs in der Schalteinrichtung (3), wobei die Auslösevorrichtung (1) wenigstens zwei mechanisch parallel geschaltete Teilsysteme (61, 62) aufweist, - wobei jedes der Teilsysteme (61, 62) einen Aktor (A), eine zu dem Aktor (A) mechanisch in Serie geschaltete hydraulische Übersetzungseinheit (H) und ein zu der hydraulischen Übersetzungseinheit (H) mechanisch in Serie geschaltetes Seilsystem (M) aufweist, - wobei die beiden Seilsysteme (M) mechanisch an einen gemeinsamen, übergeordneten Auslösekörper (T) gekoppelt sind, - so dass eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden Aktoren (A) zu einer gemeinsam bewirkten Bewegung des übergeordneten Auslösekörpers (T) mittels der beiden hydraulischen Übersetzungseinheiten (H) und der beiden Seilsysteme (M) führt.
Auslösevorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Seilsystem (M) als Flaschenzugsystem mit einem bewegungsübertragenden Seil (101) und einer Mehrzahl von Umlenkrollen (107, 108) ausgestaltet ist.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Seilsystem (M) ein Übersetzungsverhältnis von 0,5 oder weniger aufweist.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die hydraulische Übersetzungseinheit (H) und das Seilsystem (M) zusammen eine Gesamtübersetzung von 0,25 oder weniger aufweisen.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Auslösekörper (T) einen Hub von wenigstens 1mm aufweist.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Auslösekörper (T) ein länglich geformter Stößel ist, welcher im Wesentlichen mit nur einem translatorischen Freiheitsgrad beweglich gelagert ist.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die hydraulische Übersetzungseinheit (H) ein Antriebselement (13a) und ein Abtriebselement (13b, 21b) aufweist und dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Antriebselements (13a) mit einem Übersetzungsverhältnis von höchstens 1:2 auf das Abtriebselement (13b, 21b) zu übertragen.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die hydraulische Übersetzungseinheit (H) mit einer Hydraulikflüssigkeit (7) befüllbar ist und eine erste und eine zweite Kammer (11a,11b) aufweist, welche hydraulisch miteinander verbunden sind und von denen eine als Antriebskammer (11a) und die andere als Abtriebskammer (11b) ausgebildet ist.
Auslösevorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei welcher zumindest in der ersten Kammer (11a) ein Kolben (13a) entlang einer Kolbenachse beweglich angeordnet ist, so dass dieser Kolben (13a) die erste Kammer (11a) in eine volumenmäßig variable Arbeitskammer (15a) und eine Rückseitenkammer (17a) trennt, wobei die Rückseitenkammer (17a) zumindest teilweise durch ein Balgelement (19a) mit variabler axialer Länge begrenzt ist.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, welche zusätzlich eine Vorratskammer (41) für die Hydraulikflüssigkeit (7) aufweist.
Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Aktor (A) ein Festkörperaktor ist.
Elektrische Schalteinrichtung (3) mit einer Auslösevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Schalteinrichtung (3) nach Anspruch 12, welche einen feststehenden ersten Schaltkontakt (S1) und einen relativ zu diesem beweglichen zweiten Schaltkontakt (S2) aufweist, wobei die Auslösevorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, die Bewegung des zweiten Schaltkontakts (S2) auszulösen.
Elektrische Schalteinrichtung (3) nach Anspruch 13, - welche zusätzlich ein Vorspannelement (V) aufweist, das dazu ausgelegt ist, den zweiten Schaltkontakt (S2) relativ zum ersten Schaltkontakt (S1) vorzuspannen, - und welche zusätzlich eine Arretierungsvorrichtung (F) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Vorspannelement (V) in einem solchen vorgespannten Zustand zu arretieren, - wobei die Auslösevorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, die Arretierungsvorrichtung (F) zu lösen.