DE10339214B4

DE10339214B4 - Magnetischer Betätiger

Info

Publication number: DE10339214B4
Application number: DE10339214A
Authority: DE
Inventors: Takafumi Nakagawa; Mitsuru Tsukima; Toshie Takeuchi; Kenichi Koyama; Tetsuya Matsuda; Nobumoto Tohya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: TW200406798A; KR20040018964A; JP4230246B2; DE10339214A1; US20050088265A1; KR100516546B1; CN1495817A; FR2841683B1; CN1265410C; FR2841683A1; HK1084230A1; US7102475B2; JP2004146333A; TWI233137B

Abstract

Magnetischer Betätiger (100), der folgendes aufweist:
– ein erstes Joch (1), das eine Anordnung von laminierten Metallblechen aufweist;
– ein zweites Joch (5), das an dem ersten Joch (1) angebracht ist;
– einen Permanentmagneten (6);
– einen Anker (2), der im Inneren des ersten Jochs (1) vorgesehen ist und in einer hin- und hergehenden Bewegung über eine bestimmte Hubstrecke zwischen einer ersten Position (8) und einer zweiten Position (9) entlang einer ersten Richtung beweglich ist; und
– mindestens eine Spule (3a);
wobei der von der mindestens einen Spule (3a) erzeugte Magnetfluß durch einen ersten Magnetkreis verläuft, der den Anker (2) und das erste Joch (1) enthält, um den Anker (2) entweder in die erste Position (8) oder in die zweite Position (9) zu bewegen, und
wobei der von dem Permanentmagneten (6) erzeugte Magnetfluß durch einen zweiten Magnetkreis verläuft, der den Permanentmagneten (6), das...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Betätigen, der beispielsweise zum Ansteuern eines Leistungsschalters geeignet ist, der in einem elektrischen Kraftübertragungs- und Verteilungssystem verwendet wird, insbesondere einen magnetischen Betätigen, der mit Permanentmagneten und elektromagnetischen Spulen versehen ist.
19 zeigt eine schematische Darstellung zur allgemeinen Erläuterung einer Konstruktion eines herkömmlichen elektrischen Leistungsschaltersystems 500, von dem ein Beispiel in der europäischen Patentveröffentlichung mit der Nr. EP 0 721 650 B1 dargestellt ist.
Wie unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich ist, beinhaltet das Leistungsschaltersystem 500 einen magnetischen Betätigen 100, einen Leistungsschalter 200, der zum Öffnen und Schließen von Schalterkontakten 210 mit dem magnetischen Betätigen 100 verbunden ist, sowie Federn 300 und 301, die jeweils an der Oberseite und der Unterseite des magnetischen Betätigers 100 vorgesehen sind. Diese Federn 300, 301 unterstützen die Arbeit des Leistungsschalters 200, wenn der magnetische Betätigen 100 den Leistungsschalter 200 zum Öffnen und Schließen seiner Kontakte 210 veranlaßt.
18 zeigt die Hauptkomponenten des magnetischen Betätigers 100 gemäß 19. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, beinhaltet der magnetische Betätiger 100 ein Joch 250, das aus ferromagnetischen Laminierungen aufgebaut ist, von denen jede durch Ausstanzen von magnetischem Stahlblech zur Bildung eines linken Jochbereichs 201, eines rechten Jochbereichs 202, eines oberen Jochbereichs 203 sowie eines unteren Jochbereichs 204 gebildet ist.
Der magnetische Betätiger 100 beinhaltet ferner Permanentmagneten 205, einen Anker 206, der innerhalb des Jochs 250 über eine bestimmte Hubstrecke bzw. Bewegungsstrecke beweglich ausgebildet ist, sowie eine erste und eine zweite Spule 207, 208. Die Permanentmagneten 205 sind an massiven inneren Jochen 201b und 202b angebracht, die an Polbereichen 201a und 202a vorgesehen sind, die von dem linken Jochbereich 201 bzw. dem rechten Jochbereich 202 nach innen ragen. Die bei dem magnetischen Betätiger 100 verwendete erste und zweite Spule 207, 208 üben die gleiche magnetomotorische Kraft (MMK) (AT) aus.
Der Anker 206 ist mit einer Betätigungsstange 209 verbunden, die sich durch den oberen und den unteren Jochbereich 203, 204 hindurch erstreckt und mit dem Leistungsschalter 200 verbunden ist. Zwischen dem Anker 206 und den Permanentmagneten 205 sind Luftspalte g vorhanden. Es ist zu erkennen, daß 18 ein Beispiel darstellt, bei dem der Leistungsschalter 200 im Gegensatz zu dem in 19 gezeigten Beispiel oberhalb von dem magnetischen Betätiger 100 vorgesehen ist.
Es sei nun angenommen, daß der Anker 206 zur Zeit in einer ersten Position 203a angrenzend an den oberen Jochbereich 203 gehalten ist, und zwar durch ein von den Permanentmagneten 205 erzeugtes Magnetfeld. Wenn die zweite Spule 208 in einer derartigen Weise erregt bzw. aktiviert wird, daß sie ein Magnetfeld mit der gleichen Polarität wie das von den Permanentmagneten 205 erzeugte Magnetfeld erzeugt, wird eine von den Permanentmagneten 205 auf den Anker 206 ausgeübte Haltekraft aufgehoben, und infolgedessen bewegt sich der Anker 206 um den Betrag, der der vorstehend genannten bestimmten Hubstrecke entspricht, nach unten zu dem unteren Jochbereich 204.
Wenn dann die zweite Spule 208 deaktiviert wird, so wird der Anker 206 durch das von den Permanentmagneten 205 erzeugte Magnetfeld nun in einer zweiten Position 204a angrenzend an den unteren Jochbereich 204 gehalten. Hierbei handelt es sich bei der genannten bestimmten Hubstrecke des Ankers 206 um einen Betrag, der zum Beispiel zum Unterbrechen der Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 erforderlich ist.
In dem in 18 dargestellten Beispiel ist der Anker 206 in der zweiten Position 204a angrenzend an den unteren Jochbereich 204 gehalten, so daß ein Luftspalt g zwischen dem Anker 206 und dem oberen Jochbereich 203 gebildet wird. Die in 19 dargestellte Feder 301 unterstützt das Öffnen der Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 über die Betätigungsstange 203, wenn sich der Anker 206 als Ergebnis der Erregung der zweiten Spule 208 zu bewegen beginnt. Andererseits unterstützt die Feder 300 das Schließen der Kontakte 210 des Leistungsschalters 200, wenn sich die Kontakte 210 aus einer geöffneten Position, wie sie in 19 dargestellt ist, schließen.
Bei Aktivierung der ersten Spule 207 bewegt sich der Anker 206 in Richtung auf den oberen Jochbereich 203 und veranlaßt die Kontakte 210 zum Schließen, und er wird in der ersten Position 203a angrenzend an den oberen Jochbereich 203 gehalten.
Das Arbeitsprinzip des Ankers 206 wird nun unter Bezugnahme auf die 17A bis 17C erläutert. Diese Figuren zeigen ebenfalls ein Beispiel, in dem der Leistungsschalter 200 im Gegensatz zu dem in 19 dargestellten Beispiel über dem magnetischen Betätiger 100 vorgesehen ist.

(1) Die Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 befinden sich in 17A in einer geschlossenen Position, in der der Anker 206 in der ersten Position 203a angrenzend an den oberen Jochbereich 203 gehalten ist und weder die erste Spule 207 noch die zweite Spule 208 aktiviert ist. Die Buchstaben "N" in der Zeichnung bezeichnen Nordpole, die durch die Permanentmagneten 205 auf Oberflächen des Ankers 206 gebildet werden, und die Buchstaben "S" bezeichnen Südpole, die von den Permanentmagneten 205 auf Oberflächen der in 18 gezeigten Polbereiche 201a, 202a gebildet werden. Unter diesen Bedingungen erzeugen die Permanentmagneten 205 Magnetflüsse Φ_PM1 und Φ_PM2, die durch Magnetkreise L1 bzw. L2 fließen. Da der Magnetkreis L1 einen niedrigeren magnetischen Widerstand als der Magnetkreis L2 aufweist, ist der Magnetfluß Φ_PM1 viel größer als der Magnetfluß Φ_PM2 (Φ_PM1 ≫ Φ_PM2), so daß eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem Anker 206 und dem oberen Jochbereich 203 auftritt. Diese magnetische Anziehungskraft wird ausgedrückt als F = Φ²/S/μ₀ = Bg²S/μ₀, wobei Bg die Flußdichte in dem Luftspalt G ist und S die einander zugewandt gegenüberliegende Fläche des oberen Jochbereichs 203 und des Ankers 206 ist.
(2) Wenn die zweite Spule 208 in diesem Zustand aktiviert wird, werden Magnetflüsse Φ_Spule2-1 und Φ_Spule2-2 erzeugt, wie dies in 17B gezeigt ist. Diese Magnetflüsse Φ_Spule2-1, Φ_Spule2-2 werden mit den von den Permanentmagneten 205 erzeugten Magnetflüssen Φ_PM1, Φ_PM2 kombiniert. Wenn eine Beziehung erfüllt wird, die ausgedrückt wird als Φ_PM2 + Φ_Spule2-1 > Φ_PM1 – Φ_Spule2-2, tritt eine Kraft auf, die den Anker 206 in Richtung auf den unteren Jochbereich 204 zieht.
(3) Wenn sich der Anker 206 von dem oberen Jochbereich 203 weg bewegt, wird die Summe der Magnetflüsse Φ_PM2 + Φ_Spule2-1 viel größer als die Summe der Magnetflüsse Φ_PM1 – Φ_Spule2-2 (Φ_PM2 + Φ_Spule2-1 ≫ Φ_PM1 – Φ_Spule2-2), so daß der Anker 206 dazu veranlaßt wird, sich um den Betrag der vorstehend genannten bestimmten Hubstrecke zu bewegen und somit die zweite Position 204a angrenzend an den unteren Jochbereich 204 erreicht, wie dies in 17C dargestellt ist.
(4) Wenn die zweite Spule 208 an diesem Punkt deaktiviert wird, wird der Magnetfluß Φ_PM1 viel geringer als der Magnetfluß Φ_PM2(Φ_PM1 ≪ Φ_PM2), so daß der Anker 206 in der zweiten Position 204a angrenzend an den unteren Jochbereich 204 gehalten wird, wie dies in 17C gezeigt ist.

Wenn sich der Anker 206 um den Betrag der vorstehend genannten bestimmten Hubstrecke innerhalb des Jochs 250 bewegt, wie dies vorstehend erläutert ist, wird ein in einem elektrischen Kraftübertragungs- und Verteilungssystem fließender Strom durch das Öffnen der Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 unterbrochen, der mit der Betätigungsstange 209 gekoppelt ist, die direkt mit dem Anker 206 verbunden ist.
Zum Zurückbringen der Kontakte 210 aus der in 17C gezeigten offenen Position in die in 17A gezeigte geschlossene Position wird die erste Spule 207 aktiviert, so daß sich der Anker 206 nach oben in die ersten Position 203a angrenzend an den oberen Jochbereich 203 bewegt, und zwar nach dem gleichen Arbeitsprinzip, wie dieses vorstehend beschrieben worden ist. Die erste Spule 207 wird an diesem Punkt deaktiviert, und der Anker 206 wird durch den von den Permanentmagneten 205 erzeugten Magnetfluß Φ_PM1 in der ersten Position 203a gehalten, so daß die Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 geschlossen werden und ein Strom in normaler Weise fließt.
Bei dem magnetischen Betätiger 100, der in dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Leistungsschaltersystem 500 verwendet wird, sind die Permanentmagneten 205 zum Halten des Ankers 206 in der ersten oder in der zweiten Position 203a, 204a an den Polbereichen 201a und 202a über die massiven inneren Joche 201b bzw. 202b angebracht. Bei dieser Konstruktion sind die Permanentmagneten 205 in den Magnetkreisen L1 und L2 vorhanden, die von der ersten und der zweiten Spule 207, 208 zum Betätigen des Ankers 206 gebildet werden, und aus diesem Grund treten Wirbelströme in den Permanentmagneten 205 und den inneren Jochen 201b, 202b auf, wenn eine aktivierende Stromversorgung (nicht gezeigt) eingeschaltet und ausgeschaltet wird.
Diese Wirbelströme führen zu einem derartigen Problem, daß sie nicht nur eine Beeinträchtigung der Ansprecheigenschaften des magnetischen Betätigers 100 verursachen, sondern auch zu einer Erhöhung der Größe und Kostensteigerung der vorstehend genannten aktivierenden Stromversorgung führen.
Aus der DE 43 04 921 C1 ist ein bistabiler magnetischer Antrieb für einen elektrischen Schalter bekannt, der mit einem Anker über mindestens ein mechanisches Glied auf einen Schalter einwirkt. Der Anker besteht dabei aus lamellierten Weicheisenblechen und ist in einem von einem rechteckigen Joch aus lamellierten Weicheisenblechen umgebenen Raum zwischen zwei, mit gleichen Polen dem Anker zugewandten Dauermagneten axial verschiebbar angeordnet. Die Dauermagnete sind jeweils zwischen dem Anker und einem Polschuh stationär angebracht, der in das Joch übergeht. Beiderseits der Polschuhe ist jeweils eine Spule innerhalb des Joches angeordnet.
Aus der US 4 829 947 A ist eine magnetische Betätigungseinrichtung für ein Ventil einer Brennkraftmaschine bekannt. Das Ventil ist mit einer Feder in eine neutrale, zentrale Position vorgespannt, wird jedoch mit Permanentmagneten mit zugeordneten Spulen entweder in einer vollständig geöffneten oder einer geschlossenen Position gehalten. Die Bewegung des Ventils zwischen den geöffneten und geschlossenen Stellungen erfolgt durch die Betätigung einer Spule, um das Feld eines zugeordneten Magneten zu beseitigen, so daß die Feder das Ventil in die jeweils andere Position bewegt. Soweit ersichtlich ist die Beseitigung von störenden Wirbelströmen in diesen Veröffentlichungen nicht angesprochen.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines magnetischen Betätigers, bei dem das Auftreten von Wirbelströmen durch das Vorsehen von Permanentmagneten in anderen Magnetkreisen als den Magnetkreisen zum Ansteuern des Ankers minimiert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein magnetischer Betätiger angegeben, der folgendes aufweist:
Ein erstes Joch, das eine Anordnung von laminierten Metallblechen aufweist; ein zweites Joch, das an dem ersten Joch angebracht ist;
einen Permanentmagneten;
einen Anker, der im Inneren des ersten Jochs vorgesehen ist und in einer hin- und hergehenden Bewegung über eine bestimmte Hubstrecke zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position entlang einer ersten Richtung beweglich ist; und
mindestens eine Spule;
wobei der von der mindestens einen Spule erzeugte Magnetfluß durch einen ersten Magnetkreis verläuft, der den Anker und das erste Joch enthält, um den Anker entweder in die erste Position oder in die zweite Position zu bewegen, und wobei der von dem Permanentmagneten erzeugte Magnetfluß durch einen zweiten Magnetkreis verläuft, der den Permanentmagneten, das erste Joch, das zweite Joch und den Anker enthält, um den Anker in der ersten Position oder der zweiten Position zu halten.
Vorteilhafte Weiterbildungen des magnetischen Betätigers gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Betätiger wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Auf diese Weise steht ein magnetischer Betätiger mit verbesserten Ansprecheigenschaften zur Verfügung.
In speziellen Ausführungsformen des magnetischen Betätigers, die im einzelnen in den Unteransprüchen definiert sind, können Luftspalte zwischen dem Anker und dem jeweiligen Joch in der ersten Position und der zweiten Position des Ankers gleich groß oder unterschiedlich sein, und zwar in Abhängigkeit von den erforderlichen Kräften, um den Anker in einer geöffneten Kontaktposition oder einer geschlossenen Kontaktposition zu halten.
Spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen magnetischen Betätigers ermöglichen es weiterhin, kompakte Bauformen zu realisieren, Gewichtseinsparungen vorzunehmen und auf diese Weise Herstellungskosten zu verringern. Derartige Ausführungsformen sind nachstehen im einzelnen erläutert.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1A und 1B teilweise auseinandergezogene Perspektivansichten eines magnetischen Betätigers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Perspektivansicht des magnetischen Betätigers des ersten Ausführungsbeispiels;
3A und 3B schematische Schnittansichten zur allgemeinen Erläuterung einer Joch- und Ankeranordnung des magnetischen Betätigers des ersten Ausführungsbeispiels;
4 eine Perspektivansicht eines Ankers des magnetischen Betätigers des ersten Ausführungsbeispiels;
5A und 5B schematische Darstellungen zur Erläuterung eines magnetischen Betätigers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein magnetischer Betätigen zum Einsatz kommt, der auch in einer Variation des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendet wird;
6A bis 6C schematische Darstellungen zur Erläuterung der Konstruktion des Ankers gemäß der Variation des ersten Ausführungsbeispiels der 5A und 5B;
7A und 7B schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung eines magnetischen Betätigers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8A bis 8C schematische Darstellungen zur Erläuterung des Arbeitsprinzips der magnetischen Betätiger gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
9 eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht des magnetischen Betätigers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10A bis 10F Perspektivansichten von zweiten Jochen, die bei dem magnetischen Betätiger des dritten Ausführungsbeispiels verwendbar sind;
11 eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht des magnetischen Betätigers gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 eine Perspektivansicht des magnetischen Betätigers des vierten Ausführungsbeispiels;
13 eine Perspektivansicht des magnetischen Betätigers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
14 eine Perspektivansicht des magnetischen Betätigers gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung einer Joch- und Ankeranordnung des magnetischen Betätigers des sechsten Ausführungsbeispiels;
16A bis 16C schematische Darstellungen zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des magnetischen Betätigers des sechsten Ausführungsbeispiels;
17A bis 17C schematische Darstellungen zur Erläuterung des Arbeitsprinzips eines herkömmlichen magnetischen Betätigers;
18 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Hauptkomponenten des herkömmlichen magnetischen Betätigers; und
19 eine schematische Darstellung zur allgemeinen Erläuterung der Konstruktion eines herkömmlichen Leistungsschaltersystems.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Ein magnetischer Betätiger 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1A und 1B bis 6A und 6B sowie 8A bis 8C beschrieben.
Die 1A und 1B zeigen eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht des magnetischen Betätigers 100, 2 zeigt eine Perspektivansicht des magnetischen Betätigers 100, und die 3A und 3B zeigen Schnittdarstellungen zur allgemeinen Erläuterung einer Joch- und Ankeranordnung.
Unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen beinhaltet der magnetische Betätiger 100 ein erstes Joch 1, das gebildet ist aus einem oberen Jochbereich 1a, einem unteren Jochbereich 1b sowie seitlichen Jochbereichen 1c, einen Anker 2, eine erste Spule 3, eine zweite Spule 4, ein Paar zweite Joche 5, ein Paar Permanentmagneten 6 sowie einen linken und einen rechten Pol 7.
Die Bezugszeichen 8 und 9 bezeichnen eine erste bzw. eine zweite Position des Ankers 2. Das Bezugszeichen 209 bezeichnet eine Stange, die sich durch den oberen und den unteren Jochbereich 1a, 1b hindurch erstreckt und unten mit dem Anker 2 verbunden ist und oben mit einem der Kontakte 210 eines Leistungsschalters 200 verbunden ist.
Das erste Joch 1 ist aus ferromagnetischen Laminierungen aufgebaut, die jeweils durch Ausstanzen von dünnem magnetischem Stahlblech derart gebildet sind, daß der obere Jochbereich 1a, der untere Jochbereich 1b, die seitlichen Jochbereiche 1c sowie die Pole in Form einer einstöckigen Konstruktion ausgebildet sind.
Die erste Position 8 des Ankers 2 befindet sich an der unteren Oberfläche des oberen Jochbereichs 1a, mit der der Anker 2 in direktem Kontakt gehalten ist, während sich die zweite Position 9 des Ankers 2 geringfügig oberhalb der oberen Oberfläche des unteren Jochbereichs 1b befindet.
Der Anker 2 ist im Inneren des ersten Jochs 1 derart vorgesehen, daß sich der Anker 2 über eine bestimmte Hubstrecke entlang einer ersten Richtung bzw. der vertikalen Richtung in bezug auf 1A nach oben und unten bewegen kann. Die erste und die zweite Spule 3, 4 sind ebenfalls im Inneren des ersten Jochs 1 vorgesehen. Die beiden zweiten Joche 5 sind entlang einer zu der ersten Richtung rechtwinkligen, zweiten Richtung angebracht, wobei sich die seitlichen Jochbereiche 1c zwischen diesen befinden.
Der Anker 2 ist aus Laminierungen aus dünnem magnetischem Stahl oder dünnen Stahlblechen aufgebaut und ist mit der Betätigungsstange 209 verbunden, die mit dem Leistungsschalter 200 gekoppelt ist. Zwischen dem Anker 2 und den Polen 7 sind Luftspalte g ausgebildet. Die beiden zweiten Joche 5 sind aus massiven Stahlplatten mit rechteckiger Formgebung in der Seitenansicht gebildet und mittels Bolzen oder anderen nicht dargestellten Befestigungseinrichtungen an den seitlichen Jochbereichen 1c angebracht.
Die Permanentmagneten 6 sind an den jeweiligen zweiten Jochen in der Mitte von deren Länge angebracht. In dem in dem magnetischen Betätiger 100 eingebauten Zustand sind die einzelnen Permanentmagneten 6 dem Anker 2 über die gleichen Luftspalte g hinweg, wie diese vorstehend erwähnt wurden, einander zugewandt gegenüberliegend angeordnet.
3A zeigt einen Zustand, in dem der Anker 2 durch die an den zweiten Jochen 5 angebrachten Permanentmagneten 6 in der ersten Position 8 angrenzend an den oberen Jochbereich 1a gehalten ist. In diesem Zustand sind die Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 geschlossen. 3B dagegen zeigt einen Zustand, in dem der Anker 2 in der zweiten Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b gehalten ist und die Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 geöffnet sind. Es ist ein erster Luftspalt G1 zwischen der oberen Oberfläche des Ankers 2 und dem oberen Jochbereich 1a (der ersten Position 8) in 3B gebildet, während ein zweiter Luftspalt G2 zwischen der unteren Oberfläche des Ankers 2 und dem unteren Jochbereich 1b in 3A gebildet ist.
Im folgenden wird beschrieben, wie das erste Joch 1 und die zweiten Joche 5 Magnetkreise bilden. Wenn die erste Spule 3 oder die zweite Spule 4 durch eine nicht gezeigte aktivierende Stromversorgung aktiviert wird, erzeugen sie Magnetflüsse, die durch erste Magnetkreise hindurchgehen, die durch das Innere des ersten Jochs 1 und den Anker 2 hindurch gebildet sind. Diese Magnetflüsse entsprechen den Magnetflüssen Φ_Spule2-1, Φ_Spule2-2 der 17B, wie dies in der vorausgehenden Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik beschrieben worden ist.
Die durch die ersten Magnetkreise hindurch fließenden Magnetflüsse veranlassen den Anker 2 zur Ausführung einer nach oben und unten gehenden Bewegung entlang der genannten ersten (vertikalen) Richtung des ersten Jochs 1. Beim Umschalten des Leistungsschalters 2 von einer geschlossenen Position der Kontakte 210, wie dies in 3A dargestellt ist, in eine geöffnete Position der Kontakte 210, wie dies in 3B dargestellt ist, wird die zweite Spule 4 zum Erzeugen von Magnetflüssen Φ_Spule2-1, Φ_Spule2-2 aktiviert, wie dies in 8B gezeigt ist.
Infolgedessen wird der Anker 2 zur Ausführung einer Bewegung von der ersten Position 8 angrenzend an den oberen Jochbereich 1a nach unten in die zweite Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b um den Betrag der genannten bestimmten Hubstrecke veranlaßt, der gleich G2 – t entspricht, wie dies in 3A dargestellt ist.
Beim Umschalten des Leistungsschalters 200 von der in 3B gezeigten geöffneten Position der Kontakte 210 in die in 3A gezeigte geschlossene Position der Kontakte 210 dagegen wird die erste Spule 3 aktiviert, um den Anker 2 nach oben zu bewegen. Das erste Joch 1 bildet Bestandteil von magnetischen Wegen, durch die die von der jeweils aktivierten ersten Spule 3 oder zweiten Spule 4 erzeugten Magnetflüsse in der vorstehend erläuterten Weise fließen. Das erste Joch 1 ist daher aus Laminierungen aus dünnen magnetischen Stahlblechen gebildet, um Wirbelströme zu vermindern, die in dem ersten Joch 1 als Ergebnis der Aktivierung bzw. Erregung der ersten oder zweiten Spule 3, 4 auftreten könnten.
Der Anker 2, der ebenfalls Bestandteil der magnetischen Wege bildet, ist aus dem gleichen Grund aus Laminierungen aus dünnen magnetischen Stahlblechen gebildet. Diese dünnen magnetischen Stahlbleche sind durch Befestigungsbolzen 11 fest zusammengebunden, wobei Stahl-Endplatten 10 an beiden Enden der Laminierungen plaziert sind, wie dies in 4 gezeigt ist.
Bei jeder ersten und der zweiten Spule 3, 4 kann es sich um eine Spulenanordnung handeln, die aus einem Satz von mehreren Spulen gebildet ist, oder die erste und die zweite Spule 3, 4 können zusammen durch einen Satz von mehreren Spulen gebildet sein, die zum Betätigen des Ankes 2 erforderlich sind und zur Erzeugung der gewünschten Steuereigenschaften des magnetischen Betätigers 100 ausgebildet sind. Zum Beispiel kann eine dritte Spule, die die Funktion der ersten Spule 3 erfüllt, an einer Stelle vorgesehen sein, an der die zweite Spule 4 vorgesehen ist.
Die zweiten Joche 5 sind entlang der zweiten Richtung rechtwinklig zu der ersten Richtung orientiert, wie dies in 1A dargestellt ist. Durch die Permanentmagneten 6 erzeugte Magnetflüsse fließen durch zweite Magnetkreise, die aus dem jeweiligen zweiten Joch 5 gebildet sind, durch den seitlichen Jochbereich 1c, den oberen oder den unteren Jochbereich 1a, 1b, den Anker 2, den Permanentmagneten 6 sowie zurück zu dem zweiten Joch 5.
Somit bilden die zweiten Joche 5 des ersten Ausführungsbeispiels ebenso wie die der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele 2 bis 6 Bestandteile der zweiten Magnetkreise, durch die die von den Permanentmagneten 6 erzeugten Magnetflüsse fließen. Die zweiten Joche 5 bilden jedoch nicht Bestandteile der ersten Magnetkreise, durch die die von der ersten oder der zweiten Spule 3, 4 erzeugten Magnetflüsse fließen. Der Grund hierfür besteht darin, daß sich die Permanentmagneten 6 in den zweiten Magnetkreisen befinden, die durch das erste Joch 1, die zweiten Joche 5 und den Anker 2 gebildet sind, sich jedoch nicht in den ersten Magnetkreisen befinden, wie dies in den 1A, 9 und 10 dargestellt ist.
Obwohl die zweiten Joche 5 in der vorstehend genannten Weise aus massiven Stahlplatten gebildet sind, sind diese somit nicht notwendigerweise auf diese Konstruktion begrenzt, sondern sie können in der in 1B dargestellten Weise unter Berücksichtigung des Herstellungsverfahrens und der Herstellungskosten aus Laminierungen aus dünnem magnetischem Stahl oder dünnen Stahlblechen gebildet sein.
Obwohl das erste Joch 1 und der Anker 2 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Laminierungen aus dünnen magnetischen Stahlblechen aufgebaut sind, können sie ferner auch aus Laminierungen von dünnen Stahlblechen gebildet sein. Obwohl ein Paar zweiter Joche 5 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorhanden ist, ist die Anzahl der zweiten Joche 5 nicht notwendigerweise auf zwei begrenzt, sondern es kann auch nur ein einziges zweites Joch 5 auf einer Seite des ersten Jochs 1 vorgesehen sein.
Im folgenden wird die Konstruktion des Ankers 2 ausführlich erläutert. Wie in 4 gezeigt ist, sind die beiden Endbereiche 2b des Ankers 2, die in der vorstehend genannten ersten Richtung angeordnet sind, oder die Endflächen des Ankers 2, die in der ersten Position 8 und der zweiten Position 9 durch das erste Joch 1 begrenzt sind, in der Seitenansicht in Form einer trapezförmigen Gestalt ausgebildet.
Dies bedeutet, daß die Querschnittsfläche des Ankers 2 rechtwinklig zu der ersten Richtung an den Endbereichen 2b, durch die die Magnetflüsse hindurchfließen, kleiner ist als der andere (mittlere) Bereich 2a des Ankers 2. Diese Konstruktion ermöglicht eine Optimierung der von der ersten und der zweiten Spule 3, 4 auf den Anker 2 ausgeübten magnetischen Anziehungskräfte zwischen der ersten und der zweiten Position 8, 9, so daß eine Verbesserung der Steuereigenschaften des magnetischen Betätigers 100 ermöglicht wird.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Endbereiche 2b des in 4 gezeigten Ankers 2 zwar trapezförmig ausgebildet sind, die Endbereiche 2b jedoch nicht auf diese Formgebung begrenzt sind, sondern zum Beispiel auch eine vertiefte oder vorstehende Querschnittsgestalt aufweisen können. Wesentlich für die Formgebung der Endfläche 2b des Ankers 2 ist, daß die Querschnittsfläche der Endbereiche 2b, durch die die Magnetflüsse fließen, kleiner sein sollte als der mittlere Bereich 2a des Ankers 2.
Obwohl die Stahl-Endplatten 10 an beiden Enden des Ankers 2 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der in 4 dargestellten Weise vorgesehen sind, können auch drei solcher Stahlplatten an den beiden Enden sowie in der Mitte des Ankers 2 vorgesehen sein.
Im folgenden wird ein Anker 2c gemäß einer Variation des ersten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 5A und 5B sowie 6A bis 6C beschrieben.
Es ist eine Öffnung 10b in jeder Endplatte 10a durch Ausstanzen eines bestimmten Teils ihrer Gesamtfläche gebildet, wie dies in 5A gezeigt ist. Ein magnetischer Betätiger 100 gemäß dieser Variation des ersten Ausführungsbeispiels, der den Anker 2c der 5A und 5B verwendet, wird im folgenden unter Bezugnahme auf das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein Grund für die Ausbildung derartiger Öffnungen 10b in den Endplatten 10a ist folgender.
Wenn der Anker 2c in der zweiten Position 9 gehalten wird (offene Kontaktposition), ist eine geringe Haltekraft erforderlich. Die zwischen dem Permanentmagneten 6 und dem Anker 2c gebildeten Spalte, wenn dieser in der zweiten Position 9 gehalten ist, sind somit vergrößert, so daß die von dem Permanentmagneten 6 gebildeten Magnetflüsse zu dem Anker 2c vermindert sind und dadurch die Steuereigenschaften des magnetischen Betätigers 100 verbessert sind.
Die Öffnung 10b ist daher dort ausgebildet, wo sie sich am nähesten bei den Permanentmagneten 6 befindet, wenn der Anker 2c in der zweiten Position 9 gehalten ist, und die Größe der Öffnung 10b ist im allgemeinen gleich der gegenüberliegenden Oberfläche jedes Permanentmagneten 6.
Die Konstruktion des Ankers 2c wird nun unter Bezugnahme auf die 6A bis 6C ausführlich beschrieben.
6A zeigt eine Schnittdarstellung des Ankers 2c, 6B zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der 6A, und 6C zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung, wie noch zu beschreibende Laminierungen 2d des Ankers 2c, die Vertiefungen 2e aufweisen, zusammengestapelt werden.
Der Anker 2c beinhaltet einen quaderförmigen Kern 16, der feststehend auf die Betätigungsstange 209 geschraubt ist, einen laminierten Block 2f, der aus den vorstehend genannten Laminierungen 2d aufgebaut ist, die jeweils aus einem Paar allgemein C-förmiger Bleche gebildet sind, die an dem Kern 16 angebracht sind, sowie die vorstehend genannten Endplatten 10a zum Zusammenbinden des laminierten Blocks 2f.
Die Vertiefung 2e ist in jedem Blech der Laminierungen 2d gebildet, und beim Zusammenstapeln der Laminierungen 2d werden die Vertiefungen 2e ineinandergepaßt, um die einzelnen Laminierungen 2d mit hoher Genauigkeit auszufluchten und eine Verlagerung der Laminierungen 2d zu verhindern, wenn irgendeine externe Kraft auf den laminierten Block 2f aufgebracht wird.
Wie in 6B dargestellt ist, sind Randflächen 10c jeder Endplatte 10a geringfügig innerhalb von Endflächen 2g des laminierten Blocks 2f angeordnet. Die auf diese Weise angeordneten Randflächen 10c der Endplatten 10a dienen zum Vermindern von Spannungen, die an den Rändern der Laminierungen 2d auftreten könnten.
Das Arbeitsprinzip des magnetischen Bettigers 100 wird nun unter Bezugnahme auf die 8A bis 8C erläutert, obwohl es sich dabei im wesentlichen um das gleiche handelt, wie dies vorstehend in Verbindung mit der Technologie des Standes der Technik erläutert worden ist.

(1) Die Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 befinden sich in 8A in einer geschlossenen Position, in der der Anker 2 in der ersten Position 8 angrenzend an den oberen Jochbereich 1a des ersten Jochs 1 gehalten ist und weder die erste Spule 3 noch die zweite Spule 4 aktiviert ist. Unter diesen Bedingungen erzeugen die Permanentmagneten 6 Magnetflüsse Φ_PM1 und Φ_PM2, die durch die Magnetkreise L1 bzw. L2 hindurchfließen. Da der zweite Magnetspalt G2 in dem Magnetkreis L2 vorhanden ist, wie dies in 3A gezeigt ist, ist der Magnetfluß Φ_PM1 durch den Magnetkreis L1 mit geringerem magnetischem Widerstand viel größer als der Magnetfluß Φ_PM2 durch den Magnetkreis L2 mit einem größeren magnetischen Widerstand (Φ_PM1 ≫ Φ_PM2). Infolgedessen tritt zwischen dem Anker 2 und dem ersten Joch 1 eine Anziehungskraft auf. Diese magnetische Anziehungskraft läßt sich durch die gleiche Gleichung ausdrücken, wie diese in der Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik angegeben ist.
(2) Wenn die zweite Spule 4 derart erregt wird, daß sie ein Magnetfeld mit der gleichen Polarität wie das von den Permanentmagneten 6 erzeugte Magnetfeld erzeugt, werden Magnetflüsse Φ_Spule2-1 und Φ_Spule2-2 erzeugt, wie dies in 8B dargestellt ist. Diese Magnetflüsse Φ_Spule2-1, Φ_Spule2-2 werden mit den von den Permanentmagneten 6 erzeugten Magnetflüssen Φ_PM1, Φ_PM2 kombiniert. Wenn eine Beziehung erfüllt wird, die ausgedrückt wird durch Φ_PM2 + Φ_Spule2-1 > Φ_PM1 – Φ_Spule2-2, tritt eine Kraft auf, die den Anker 2 in Richtung in die zweite Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 zieht.
(3) Wenn sich der Anker 2 von der ersten Position 8 angrenzend an den oberen Jochbereich 1a des ersten Jochs 1 weg bewegt, wird die Summe der Magnetflüsse Φ_PM2 + Φ_Spule2-1 viel größer als die Summe der Magnetflüsse Φ_PM1 – Φ_Spule2-2 (Φ_PM2 + Φ_Spule2-1 ≫ Φ_PM1 – Φ_Spule2-2), so daß der Anker 2 zur Ausführung einer Bewegung um den Betrag der vorstehend genannten bestimmten Hubstrecke veranlaßt wird und die zweite Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 erreicht, wie dies in 8B dargestellt ist.
(4) Wenn die zweite Spule 4 an diesem Punkt deaktiviert wird, wird der Anker 2 in der zweiten Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 gehalten, wie dies in 8C dargestellt ist.
(5) Zum Zurückbringen des Ankers 2 aus der in 8C gezeigten Position in die in 8A gezeigten Position wird die erste Spule 3 aktiviert, um den Anker 2 zur Ausführung einer Bewegung um den Betrag entsprechend der bestimmten Hubstrecke zu veranlassen.

Die Kontakte 210 des Leistungsschalters 200, der mit dem Anker 2 verbunden ist, werden bei der Bewegung des Ankers 2 nach oben und nach unten innerhalb des ersten Jochs 1 in der vorstehend genannten Weise geöffnet und geschlossen, so daß ein Strom in einem elektrischen Stromübertragungs- und Verteilungssystem unterbrochen wird und zum Fließen gebracht wird.
Im folgenden werden der erste und der zweite Spalt G1, G2, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem ersten Joch 1 und dem Anker 2 gebildet werden, ausführlicher beschrieben.
Bei dem ersten Luftspalt G1 handelt es sich um die Distanz zwischen dem Anker 2 und dem oberen Jochbereich 1a des ersten Jochs 1, wie dies in 3B gezeigt ist, und bei dem zweiten Luftspalt G2 handelt es sich um die Distanz zwischen dem Anker 2 und dem unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1, wie dies in 3A gezeigt ist. Ein in 3A dargestellter Luftspalt G2-t ist die Distanz zwischen dem Anker 2 und einem Abstandshalter 13 zum Beispiel aus Aluminium, nicht rostendem Stahl oder Kupfer, der an dem unteren Jochbereich 1b vorgesehen ist.
Zum Zweck der Erläuterung werden in der vorliegenden Beschreibung der erste und der zweite Spalt G1, G2 als Magnetspalte bezeichnet, und der Luftspalt G2-t wird als mechanischer Luftspalt bezeichnet. Der zweite Luftspalt G2 ist größer als der erste Luftspalt G1 (G2 > G1) und G2 = G1 + t. Die vorstehend genannte spezielle Hubstrecke des Ankers 2 nimmt den Wert G2 – t an, der gleich G1 beträgt.
Wie im folgenden unter Bezugnahme auf die 5A und 5B erläutert wird, kann G1 gleich G2 gemacht werden (G1 = G2), wenn eine Kraft zum Halten des Leistungsschalters 200 in seiner offenen Kontaktposition reduziert werden kann, indem man die Magnetflüsse über andere Wege austreten läßt als eine Kontaktfläche des Ankers 2 (2c) oder wenn die Kraft zum Halten des Leistungsschalters 200 in seiner geöffneten Kontaktposition reduziert werden kann, indem die vertikale Dicke W1 des oberen Jochbereichs 1a größer ausgebildet wird als die vertikale Dicke W2 des unteren Jochbereichs 1b.
Der erste Luftspalt G1 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ungleich zu dem zweiten Luftspalt G2 ausgebildet, da die vorstehend genannte Kraft zum Halten des Ankers 2 (2c) in seiner geöffneten Kontaktposition bemerkenswert niedriger sein kann als eine Kraft zum Halten des Ankers 2 (2c) in seiner geschlossenen Kontaktposition, und somit ist die Kraft zum Halten des Ankers 2 (2c) in der oberen, ersten Position zum Halten der Kontakte 210 in ihrem geschlossenen Zustand verschieden von der Kraft zum Halten des Ankers 2 (2c) in der unteren zweiten Position 9 zum Halten der Kontakte 210 in ihrem geöffneten Zustand.
Da es lediglich notwendig ist, ein unbeabsichtigtes Kippen des Ankers 2 (2c) in die geschlossene Kontaktposition beispielsweise im Fall von Erdbeben zu verhindern, kann die Kraft zum Halten des Ankers 2 (2c) in der geöffneten Kontaktposition ausreichend geringer sein als die Kraft zum Halten des Ankers 2 (2c) in der geschlossenen Kontaktposition.
Es ist möglich, die Ankerhaltekräfte zu optimieren und dadurch eine Verbesserung der Steuereigenschaften des magnetischen Betätigers 200 zu erzielen, indem der Betrag des ersten oder des zweiten Spalts G1, G2 geeignet festgelegt wird, so daß die Permanentmagneten 6 Magnetflüsse erzeugen, die zum Halten des Ankers 2 (2c) in der Position gemäß dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand der Kontakte 210 des magnetischen Betätigers 100 geeignet sind.
Obwohl bei dem ersten Ausführungsbeispiel G2 > G1 gilt, ist die Erfindung nicht darauf begrenzt. In Abhängigkeit von der positionsmäßigen Beziehung zwischen dem magnetischen Betätiger 100 und dem Leistungsschalter 200 kann ein Abstandshalter 13 aus einem nicht-magnetischen Material an dem oberen Jochbereich 1a vorgesehen sein.
Auch kann die Dicke W1 des oberen Jochbereichs 1a gleich der Dicke W2 des unteren Jochbereichs 1b ausgebildet sein (W1 = W2), wenn die Kraft zum Halten des Leistungsschalters 200 in seiner geöffneten Kontaktposition reduziert werden kann, indem die Magnetflüsse über andere Wege austreten können als die Kontaktfläche des Ankers 2 (2c), oder wenn die Kraft zum Halten des Leistungsschalters 200 in seiner geöffneten Kontaktposition reduziert werden kann, indem der erste Luftspalt G1 größer ausgebildet wird als der zweite Luftspalt G2, wie dies im folgenden unter Bezugnahme auf die 5A und 5B noch erläutert wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
Ein magnetischer Betätiger 100 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 5A und 5B sowie 7A und 7B erläutert.
5A zeigt eine im Schnitt dargestellte Frontansicht des magnetischen Betätigers 100, und 5B zeigt eine Seitenansicht von diesem. Die zweiten Joche 5 sind in 5A teilweise weggeschnitten.
Unter Bezugnahme auf die 5A beinhaltet der magnetische Betätiger 100 ein erstes Joch 1, das gebildet ist aus einem oberen Jochbereich 1a, einem unteren Jochbereich 1b und seitlichen Jochbereichen 1c, einen Anker 2c, eine erste Spule 3a, eine zweite Spule 4a, ein Paar Endplatten 10a, in denen Öffnungen 10b ausgebildet sind, eine Feder 12, die zwischen dem oberen Jochbereich 1a und dem Anker 2c vorgesehen ist, sowie eine Stellschraube 15, die in einem der zweiten Joche 5 vorgesehen ist. Wie bereits unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel erwähnt worden ist, bezeichnet W1 die vertikale Dicke des oberen Jochbereichs 1a, und W2 bezeichnet die vertikale Dicke des unteren Jochbereichs 1b.
Wie vorstehend erwähnt worden ist, kann die zum Halten der Kontakte 210 des Leistungsschalters 200 in der geöffneten Position erforderliche Kraft ausreichend niedriger sein als die zum Halten derselben in der geschlossenen Position erforderliche Kraft. Somit kann die Flußdichte eines durch den unteren Jochbereich 1b erzeugten Magnetfeldes geringer sein, wenn der Anker 2c in der zweiten Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b gehalten ist, als wenn der Anker 2c in der ersten Position 8 angrenzend an den oberen Jochbereich 1a gehalten ist. Dies bedeutet, daß die Dicke W2 des unteren Jochbereichs 1b des ersten Jochs, gemessen in der vorstehend genannten ersten Richtung, kleiner ausgeführt sein kann als die Dicke W1 des oberen Jochbereichs 1a.
Gemäß der Erfindung können die Ankerhaltekräfte durch Reduzieren der Dicke W2 des unteren Jochbereichs 1b in dieser Weise eingestellt werden, so daß eine Reduzierung des Gewichts des magnetischen Betätigers 100 ermöglicht wird.
Da die zwischen dem oberen Jochbereich 1a und dem Anker 2c vorgesehene Feder 12 den Anker 2c bei seiner Bewegung von der ersten Position 8 in die zweite Position 9 unterstützt, kann die von der zweiten Spule 4a erzeugte magnetomotorische Kraft (AT) kleiner gemacht werden als die von der ersten Spule 3a erzeugte. Es ist daher möglich, die Querschnittsfläche und Größe der zweiten Spule 4a, die Gesamtgröße und das Gewicht des magnetischen Betätigers 100 sowie die Kapazität einer nicht gezeigten Stromversorgung zu reduzieren.
Bei einer alternativen Ausführungsform können Aussparungen 1d in dem oberen Jochbereich 1a und dem unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 ausgebildet sein, wie dies in 7A gezeigt ist, um Oberflächenbereiche des oberen Jochbereichs 1a und des unteren Jochbereichs 1b, die in direkten Kontakt mit dem Anker 2c gelangen, durch dazwischen teilweise erzeugte Luftspalte einzustellen.
Diese Aussparungen 1d in dem oberen Jochbereich 1a und dem unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 dienen zum Regulieren der Ankerhaltekräfte. Bei einer weiteren Alternative können Vorsprünge 1d an dem oberen Jochbereich 1a und dem unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 ausgebildet sein, wie dies in 7B gezeigt ist, um die Ankerhaltekräfte in ähnlicher Weise zu regulieren.
Ferner kann ein zusätzlicher Spalt zwischen dem ersten Joch 1 und einem der zweiten Joche 5 gebildet werden, indem die in dem einen zweiten Joch 5 vorgesehene Stellschraube 15 betätigt wird, wie dies in 5B dargestellt ist. Dies vergrößert den Luftspalt zwischen dem Anker 2c und dem an dem zweiten Joch 5 angebrachten Permanentmagneten 6, so daß es möglich wird, zusätzlichen dünnen magnetischen Stahl oder zusätzliche dünne Stahlbleche (nicht gezeigt) in den auf diese Weise gebildeten zusätzlichen Spalt einzufügen. Diese Anordnung macht den Luftspalt zwischen dem Anker 2c und dem Permanentmagneten 6 Variabel, so daß eine Einstellung der Ankerhaltekräfte ermöglicht ist.
Drittes Ausführungsbeispiel
Obwohl jedes der zweiten Joche 5 bei dem vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiel in Form eines länglichen Quaders ausgebildet ist, verwendet ein magnetischer Betätiger 100 gemäß dem nachfolgend erläuterten dritten Ausführungsbeispiel E-förmige zweite Joche 5a mit jeweils drei nach innen ragenden Bereichen, wie dies in 9 gezeigt ist.
Ein Permanentmagnet 6a ist an dem zentralen vorstehenden Bereich jedes zweiten Jochs 5a in der dargestellten Weise angebracht. Beim Einbau in den magnetischen Betätiger 100 sind die Permanentmagneten 6a an den einzelnen zweiten Jochen 5a dem Anker 2 flächig gegenüberliegend angeordnet, wobei dazwischen Luftspalte g gebildet sind.
Die beiden zweiten Joche 5a sind an den seitlichen Jochbereichen 1c des ersten Jochs 1 durch Bolzen oder andere Befestigungseinrichtungen angebracht, wobei diese nicht dargestellt sind. Die zweiten Joche 5a können aus massiven Stahlplatten oder Laminierungen aus dünnem magnetischem Stahl oder dünnen Stahlblechen gebildet sein.
Alternativ hierzu können zwei Permanentmagneten 6a an den äußeren Enden der äußeren vorstehenden Bereiche jedes zweiten Jochs 5a angebracht sein, wie dies in 10a dargestellt ist, oder sie können, obwohl dies nicht dargestellt ist, an Bereichen von Innenflächen des ersten Jochs 1 angebracht sein, die äußersten Enden der beiden vorstehenden Bereiche jedes zweiten Jochs 5a zugewandt gegenüberliegen.
In weiterer alternativer Weise können zwei Permanentmagneten 6a an den Basen der äußeren vorstehenden Bereiche jedes zweiten Jochs 5a plaziert werden, wie dies in 10B dargestellt ist, oder an der Basis des zentralen vorstehenden Bereichs jedes zweiten Jochs 5a plaziert werden, wie dies in 10C gezeigt ist.
In noch weiter alternativer Weise können zwei Permanentmagneten 6a in der in 10D oder 10F dargestellten Weise positioniert werden, oder ein einzelner Permanentmagnet 6c kann in der in 10E dargestellten Weise plaziert werden.
Bei den in den 9 und 10A bis 10F dargestellten Konstruktionen sind ein oder zwei Permanentmagnete 6a an Endflächen von Elementen positioniert, die Bestandteil von zweiten Magnetkreisen sind, die durch jedes zweite Joch 5a hindurch gehen, oder sind durch derartige Elemente sandwichartig eingeschlossen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sollten die Permanentmagneten 6a in den zweiten Magnetkreisen liegen, die durch die zweiten Joche 5a und den Anker 2 gebildet werden, und nicht in den ersten Magnetkreisen, die durch das erste Joch 1 und den Anker 2 gebildet werden, indem die erste oder der zweite Spule 3, 4 aktiviert werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
Während bei den magnetischen Betätigern 100 des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels die beiden zweiten Joche 5 (5a) entlang der genannten zweiten Richtung orientiert sind, sind bei einem magnetischen Betätigen 100 gemäß dem nachfolgend beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel E-förmige zweite Joche 5b entlang der genannten ersten (vertikalen) Richtung positioniert und mittels Bolzen oder anderen Befestigungseinrichtungen (nicht gezeigt) an einem oberen Jochbereich 1a und einem unteren Jochbereich 1b eines ersten Jochs 1 festgelegt.
11 zeigt eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht des magnetischen Betätigers 100 des vierten Ausführungsbeispiels, und 12 zeigt eine Perspektivansicht des magnetischen Betätigers 100.
Ein Permanentmagnet 6b ist an einem zentralen vorstehenden Bereich jedes zweiten Jochs 5b angebracht. Wenn die zweiten Joche 5b an dem ersten Joch 1 angebracht sind, sind ihre Permanentmagnete 6b einem Anker 2 über Luftspalte g hinweg zugewandt gegenüberliegend angeordnet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die zweiten Joche 5b nicht unbedingt auf die in 11 dargestellte Konstruktion begrenzt sind, sondern auch so konfiguriert sein können, wie dies in den 10A bis 10F gezeigt ist.
Die zweiten Joche 5b können aus massiven Stahlplatten oder Laminierungen aus dünnem magnetischem Stahl oder dünnen Stahlblechen gebildet sein. Obwohl bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Paar von zweiten Jochen 5b vorgesehen ist, ist die Anzahl der zweiten Joche 5b nicht notwendigerweise auf zwei begrenzt, sondern es kann auch nur ein einziges zweites Joch 5b auf einer Seite des ersten Jochs 1 vorgesehen sein.
Fünftes Ausführungsbeispiel
13 zeigt eine Perspektivansicht eines magnetischen Betätigers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zweite Joche 5c C-förmig ausgebildet sind und entlang der genannten ersten (vertikalen) Richtung eines ersten Jochs 1 orientiert sind.
Die zweiten Joche 5c sind derart positioniert, daß sie eine erste Spule 3 innerhalb ihrer C-Form halten, wie dies in 13 gezeigt ist, wobei ein oberer vorstehender Teil jedes zweiten Jochs 5c an einem oberen Jochbereich 1a des ersten Jochs 1 angebracht ist.
Ein Permanentmagnet 6c ist an einem unteren vorstehenden Teil jedes zweiten Jochs 5c angebracht und derart positioniert, daß er einem Anker 2 in der dargestellten Weise flächig gegenüberliegt. Alternativ hierzu kann der Permanentmagnet 6c in der in 10E dargestellten Weise plaziert sein.
Wie bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen können die zweiten Joche 5c aus massiven Stahlplatten oder Laminierungen aus dünnem magnetischem Stahl oder dünnen Stahlblechen gebildet sein. Während bei dem in 13 gezeigten Beispiel die zweiten Joche 5c an dem oberen Jochbereich 1a angebracht sind, können sie auch an einem unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 angebracht sein.
Obwohl bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Paar von zweiten Jochen 5c vorhanden ist, ist die Anzahl der zweiten Joche 5c nicht notwendigerweise auf zwei begrenzt, sondern es kann auch nur ein einzelnes zweites Joch 5c auf einer Seite des ersten Jochs 1 vorgesehen sein.
Sechstes Ausführungsbeispiel
14 zeigt eine Perspektivansicht eines magnetischen Betätigers 100 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nur mit einer einzelnen Erregerspule 3a in einem ersten Joch 1 ausgestattet ist. Wie in 15 gezeigt ist, ist eine Feder 12 in einer ersten Position 8 zwischen einem oberen Jochbereich 1a des ersten Jochs 1 und einem Anker 2 vorgesehen.
Die Arbeitsweise des magnetischen Betätigers 100 wird nun unter Bezugnahme auf die 14, 15 und 16A bis 16C beschrieben. 15 zeigt einen der 16C entsprechenden Zustand, in dem sich die Kontakte 210 eines Leistungsschalters 200 in einer geöffneten Position befinden. In diesem Zustand ist der Anker 2 durch von den in 14 gezeigten Permanentmagneten 6c erzeugte Magnetflüsse Φ_PM2 in einer zweiten Position 9 angrenzend an einen unteren Jochbereich 1b des ersten Jochs 1 gehalten.
Zum Umschalten des Leistungsschalters 200 von der geöffneten Position der Kontakte 210 in eine geschlossene Kontaktposition wird die Spule 3a in umgekehrter Richtung erregt, so daß Magnetfelder erzeugt werden, die in Richtungen entgegengesetzt zu in 16B dargestellten Pfeilen orientiert sind. Somit vermindert sich die Summe der magnetischen Anziehungskräfte, die durch von der Spule 3a erzeugte Magnetflüsse Φ_Spule2-1 sowie durch von den Permanentmagneten 6c erzeugte Magnetflüsse Φ_PM2 ausgeübt werden, und der Anker 2 wird dazu veranlaßt, sich über eine bestimmte Hubstrecke von der zweiten Position 9 in die erste Position 8 zu bewegen.
Beim Umschalten des Leistungsschalters 200 von der geschlossenen Kontaktposition in 16A in die geöffnete Kontaktposition der 16C durch Bewegen des Ankers 2 nach unten wird die Erregerspule 3a zum Erzeugen von Magnetflüssen Φ_Spule1-1 aktiviert. Die Magnetflüsse Φ_Spule1-1 sollten gerade ausreichend groß sein, um die von den Permanentmagneten 6c erzeugten Magnetflüsse Φ_PM1 zum Halten des Ankers 2 in der ersten Position 8 angrenzend an den oberen Jochbereich 1a aufzuheben.
Wenn die durch die Magnetflüsse Φ_PM1 ausgeübte Anziehungskraft in dieser Weise aufgehoben wird, veranlaßt die zwischen dem oberen Jochbereich 1a und dem Anker 2 vorgesehene Feder 12 den Anker 2 zur Ausführung einer Bewegung nach unten in Richtung auf die zweite Position 9 angrenzend an den unteren Jochbereich 1b.
Die vorstehende Konstruktion des vorliegenden Ausführungsbeispiels ermöglicht eine Verminderung der magnetomotorischen Kraft zum Erregen der Spule 3a, so daß sich der magnetische Betätiger 100 kompakt ausbilden läßt und sich die Kapazität einer Spulenerregungs-Stromversorgung reduzieren läßt.
Während bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zweite Joche 5c an dem oberen Jochbereich 1a in der in 14 dargestellten Weise angebracht sind, können diese in einer Variation auch an dem unteren Jochbereich 1b angebracht sein. Obwohl die Feder 12 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem oberen Jochbereich 1a und dem Anker 2 vorgesehen ist, kann die Feder 12 auch zwischen dem unteren Jochbereich 1b und dem Anker 2 vorgesehen sein, und zwar in Abhängigkeit von dem Kräftegleichgewicht zwischen Unterstützungsfedern 300 und 301 eines Leistungsschaltersystems 500 (vgl. 19).
Ferner braucht die Feder 12 nicht unbedingt zwischen dem oberen Jochbereich 1a oder dem unteren Jochbereich 1b und dem Anker 2 vorgesehen zu sein, sondern sie kann außerhalb des ersten Jochs 1 vorgesehen sein, wenn sie dazu ausgebildet ist, eine Kraft zum Bewegen des Ankers 2 in der genannten ersten Richtung auszuüben.
Alternativ hierzu kann anstelle der Feder 12 ein pneumatisch betätigter Mechanismus oder ein elastisches Element beispielsweise aus Gummi verwendet werden. Obwohl bei dem sechsten Ausführungsbeispiel die zweiten Joche 5c C-förmig ausgebildet sind und entlang der ersten (vertikalen) Richtung des ersten Jochs 1 orientiert sind, können diese auch quaderförmig oder E-förmig ausgebildet sein und entlang der genannten zweiten (horizontalen) Richtung orientiert sein.
Obwohl der magnetische Betätiger 100 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit der einzelnen Erregerspule 3a versehen ist, können auch eine erste und eine zweite Spule 3, 4 vorgesehen sein, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist, oder es können mehr als zwei Erregerspulen vorgesehen sein.
Während die magnetischen Betätiger 100 gemäß der vorliegenden Erfindung bisher in bezug auf spezielle Beispiele beschrieben worden sind, die zum Betätigen des Leistungsschalters 200 des Leistungsschaltersystems 500 zum Schließen und Öffnen eines elektrischen Stromkreises verwendet werden, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt.
Die magnetischen Betätiger 100 der vorliegenden Erfindung können bei verschiedenen Arten von Gerätschaften verwendet werden, bei denen hin- und hergehende Bewegungen stattfinden, wie zum Beispiel Vorrichtungen zum Öffnen und Schließen von Ventilen in einer Flüssigkeits- oder Gastransportleitung oder zum Öffnen und Schließen von Türen. Gemäß der Erfindung ist es nicht absolut notwendig, die Federn 300 und 301 vorzusehen, die bei der in 19 gezeigten herkömmlichen Anordnung verwendet werden, so daß sich das Leistungsschaltersystem 500 kompakt ausbilden läßt.

Claims

Magnetischer Betätiger (100), der folgendes aufweist: – ein erstes Joch (1), das eine Anordnung von laminierten Metallblechen aufweist; – ein zweites Joch (5), das an dem ersten Joch (1) angebracht ist; – einen Permanentmagneten (6); – einen Anker (2), der im Inneren des ersten Jochs (1) vorgesehen ist und in einer hin- und hergehenden Bewegung über eine bestimmte Hubstrecke zwischen einer ersten Position (8) und einer zweiten Position (9) entlang einer ersten Richtung beweglich ist; und – mindestens eine Spule (3a); wobei der von der mindestens einen Spule (3a) erzeugte Magnetfluß durch einen ersten Magnetkreis verläuft, der den Anker (2) und das erste Joch (1) enthält, um den Anker (2) entweder in die erste Position (8) oder in die zweite Position (9) zu bewegen, und wobei der von dem Permanentmagneten (6) erzeugte Magnetfluß durch einen zweiten Magnetkreis verläuft, der den Permanentmagneten (6), das erste Joch (1), das zweite Joch (5) und den Anker (2) enthält, um den Anker (2) in der ersten Position (8) oder der zweiten Position (9) zu halten.
Magnetischer Betätiger (100) nach Anspruch 1, wobei der Permanentmagnet (6) zwischen dem ersten Joch (1) und dem zweiten Joch (5) angeordnet ist und sich an einer Endoberfläche des zweiten Jochs (5) befindet, die dem Anker (2) gegenüberliegt.
Magnetischer Betätiger (100) nach Anspruch 1 oder 2, der folgendes aufweist: – einen zweiten Luftspalt (G2) zwischen der zweiten Position (9) und einer Endoberfläche (2b) des Ankers (2), die der zweiten Position (9) gegenüberliegt, wenn der Anker (2) in der ersten Position (8) gehalten ist, und – einen ersten Luftspalt (G1), der sich von dem zweiten Luftspalt (G2) unterscheidet und zwischen der ersten Position (8) und einer Endoberfläche (2b) des Ankers (2) vorgesehen ist, die der ersten Position (8) gegenüberliegt, wenn der Anker (2) in der zweiten Position (9) gehalten ist.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Joch (5a, 5b, 5c) längs der ersten Richtung ausgerichtet ist.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Joch (5a, 5b, 5c) längs einer zweiten Richtung ausgerichtet ist, die senkrecht zu der ersten Richtung verläuft.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite Joch (5a, 5b, 5c) eine Anordnung von laminierten Metallblechen aufweist.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein erster Jochbereich (1b) des ersten Jochs (1) in der zweiten Position (9) des Ankers (2) eine kleinere Querschnittsfläche besitzt als ein zweiter Jochbereich (1a) des ersten Jochs (1) in der ersten Position (8) des Ankers (2).
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Joch (1) stufenförmig ausgebildete Oberflächen (1d, 1e) besitzt, die einen Teilluftspalt zwischen dem ersten Joch (1) und dem Anker (2) erzeugen, wenn der Anker (2) in der ersten Position (8) oder der zweiten Position (9) gehalten ist.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner eine Stellschraube (15) aufweist, die in das zweite Joch (5) eingepaßt ist, wobei der Permanentmagnet (6) an dem zweiten Joch (5) angebracht ist und ein Luftspalt zwischen dem Anker (2) und dem Permanentmagneten (6) durch Betätigen der Stellschraube (15) variiert werden kann, so daß ein Metallblech zwischen dem zweiten Joch (5) und dem ersten Joch (1) eingesetzt werden kann.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der eine erste Spule (3) und eine zweite Spule (4) aufweist, die an dem ersten Joch (1) angebracht ist.
Magnetischer Betätiger (100) nach Anspruch 10, wobei eine magnetomotorische Kraft von der ersten Spule (3) erzeugt wird, die sich von der magnetomotorischen Kraft unterscheidet, die von der zweiten Spule (4) erzeugt wird.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mindestens eine Spule (3, 3a, 4) einen Mehrfach-Spulensatz aufweist.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Endbereich (2b) des Ankers (2), durch den der Magnetfluß hindurchgeht und der dem ersten Joch (1) gegenüberliegt, eine kleinere Querschnittsfläche besitzt als die anderen Bereiche (2a) des Ankers (2), durch welche der Magnetflut hindurchgeht.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Anker (2) eine Anordnung von laminierten Metallblechen aufweist.
Magnetischer Betätiger (100) nach Anspruch 14, wobei die laminierten Metallbleche (2d) mit massiven Endplatten (10) an beiden Enden der Anordnung von laminierten Metallblechen zusammengebunden sind.
Magnetischer Betätiger (100) nach Anspruch 15, wobei die Umfangsflächen (10c) von jeder der Endplatten (10a) im Inneren der Endoberflächen (2g) der Anordnung von laminierten Metallblechen (2f) angeordnet sind.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Permanentmagnet (6) sich innerhalb des ersten Jochs (1) und des zweiten Jochs (5) sowie zwischen Elementen des zweiten Jochs (5) befindet.
Magnetischer Betätiger (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, der ferner einen Betätigungsmechanismus (12) aufweist, der den Anker (2) längs der ersten Richtung bewegt.