DE1091207B - Elektrodynamisches Antriebssystem, insbesondere fuer elektrische Schalter - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es hat sich gezeigt, daß für den Antrieb von extrem schnellen elektrischen Schaltern elektrodynamische Systeme, die meist aus einer feststehenden Spule und einem damit eng gekoppelten, gut leitenden Ring bestehen, sehr geeignet sind, da sich damit sehr hohe Beschleunigungen erzielen, lassen. Leider liegt aber der Wirkungsgrad η, definiert als Verhältnis der kinetischen Energie W₁₁. der bewegten Massen zur elektrischen Energie W_e, verhältnismäßig tief und erreicht meist nur wenige Prozent. Andererseits betragen aber die Kosten für die das elektrodynamische System speisende Kondensatorbatterie und die Steuermittel in Form von Funkenstrecken, KaItkathodenröhren od. dgl. ein Vielfaches der Aufwendungen für das eigentliche elektrodynamische Antriebssystem. Hieraus folgt, daß eine Wirkungsgradverbesserung nicht nur technisch, sondern vor allem auch wirtschaftlich von größter Bedeutung ist, denn sie gestattet, die gleiche kinetische Energie W_h mit einer kleineren Kondensatorbatterie und meist auch mit geringerem Aufwand an Steuermitteln zu erzielen. Die Zusammenhänge sind an sich äußerst verwickelt; es konnten jedoch einige grundsätzliche Richtlinien aufgedeckt werden, deren Einhaltung für die Erreichung des höchstmöglichen Wirkungsgrades ausschlaggebend sind.

Die Erfindung befaßt sich nun mit einem derartigen elektrodynamischen Antriebssystem, insbesondere für elektrische Schalter, mit mindestens zwei magnetisch eng gekoppelten Spulen, von denen mindestens eine beweglich ist. Die Erfindung besteht darin, daß Widerstand R, Induktivität L und Kapazität C des Impulskreises so gewählt sind, daß der Dämpfungsfaktor D innerhalb der Grenzen 0,25 und 0,60 hegt.

In Fig. 1 ist schematisch eine beispielsweise Ausführungsform eines derartigen Antriebssystems dargestellt. Darin bedeutet 1 eine feststehende Spule, deren Wicklungsquerschnitt die radiale Breite b und die axiale Höhe h aufweist. Mit 2 ist eine bewegliche, mit der Spule 1 magnetisch eng gekoppelte und als Ring ausgebildete Spule bezeichnet, deren Breite derjenigen der Spule 1 entspricht, deren Höhe h' jedoch Meiner als h ist. 3 ist eine Kondensatorbatterie mit der Kapazität G, 4 eine Kathodenröhre. Mit dem Ring 2 ist über einen Isoherstößel 5 der bewegliche Kontakt 6 mechanisch verbunden, während 7 und 8 die feststehenden Kontakte bedeuten. Zur Aufnahme der radialen Kräfte und des Reaktions-Stoßes dient das Gehäuse 9, in das die Spule 1 zweckmäßig unter Vakuum mit nachfolgendem Überdruck von mindestens 10 at eingegossen wird. Als Kitt 10 wird zweckmäßig Äthoxylin- bzw. Epoxyharz verwendet. Zur sicheren Isolation zwischen der Wicklung 1 und dem Ring 2 dient die Isohermembran 11. Besteht das Gehäuse9 aus Isoherstoff, z. B. aus einer Glasgewebe-Harz-Verbindung, so ist keine weitere Isolation notwendig. Wird hingegen zur Erzielung noch größerer Festigkeit das Elektrodynamisches Antriebssystem,
insbesondere für elektrische Schalter

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Fritz Kesselring, Küsnacht, Zürich,

Dr. Jean Patry, Zürich,

und Samuel Hämmerli, Oberengstringen (Schweiz),
sind als Erfinder genannt worden

Gehäuse aus Metall hergestellt, so ist es zweckmäßig, das Innere mit einer elektrisch und mechanisch widerstandsfähigen Isolation zu überziehen. Es kann auch zweckmäßig sein, das Gehäuse aus magnetischem Material herzustellen und im Innern, wie es punktiert angedeutet ist, einen Kern 12 vorzusehen. Hierdurch kann erreicht werden, daß die Kräfte insbesondere bei mäßiger Erregung der Spule 1 bereits sehr groß werden. Es ist jedoch darauf zu achten, daß in dem metallischen Gehäuse keine unzulässig großen Sekundärströme entstehen, was z. B. durch Schlitzen oder Lameliieren erreicht werden kann. Zweckmäßigerweise erhalten beide Spulen den gleichen mittleren Durchmesser und auch die gleiche Breite. Der Dämpfungsfaktor D ist definiert durch die Beziehung:

-l/r-

Hierin bedeutet R den resultierenden Widerstand des Impulsstromkreises in Fig. 1 unter Berücksichtigung des reduzierten Widerstandes des Ringes 2. L ist die resultierende Induktivität bei aufgelegtem Ring und C die Kapazität des elektrischen Energiespeichers. Es zeigt sich, daß der Wirkungsgrad nicht um so besser wird, je kleiner der Wert von D ist, sondern es gibt erfindungsgemäß einen günstigsten Wertbereich für D, der zwischen 0,25 und 0,60 hegt.

Da andererseits der Mittenabstand α zwischen der Spule 1 und dem Ring 2 von bedeutsamem Einfluß auf den Wirkungsgrad ist und durch niedrigen spezifischen Widerstand und hohen Kupferfüllfaktor der Wicklungen der Abstand α kleiner wird und die Dämpfungsbedingung leichter einzuhalten ist, kann es vorteilhaft sein,

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insbesondere die Wicklung der Spule 1 aus Vierkant-Silberdraht, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist, mit möglichst geringer Isolationsstärke herzustellen. Diese Maßnahme bringt gegenüber einer Wicklung aus Kupferrunddraht mit entsprechender Isolationsstärke bereits eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades. Den überhaupt günstigsten Füllfaktor und damit auch den kleinsten Wert des Spulenabstandes α erreicht man, wenn die feststehende Spule nur eine einzige Windung aufweist und diese zudem aus einem Material besteht, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens der von Elektrolytkupfer entspricht. Hingegen weist ein solches System, bestehend aus einer Wicklung mit nur einer Windung und einem Ring, immer noch keine ideale Kopplung auf, d. h., der Strom im Ring ist im allgemeinen kleiner als der der Spule aufgedrückte Strom. Dieser Nachteil kann beseitigt werden, wenn beide Spulen aus je einer Windung bestehen und diese gegenläufig vom Strom durchflossen sind. Da Systeme mit nur einer Windung sehr große Ströme erfordern, kann es zweckmäßig sein, die Speisung des Antriebssystems über einen Stromwandler zu bewirken.

Eine beispielsweise Ausführungsform eines elektrodynamischen Antriebssystems mit zwei in Reihe geschalteten einwindigen Wicklungen und Speisung über einen Stromwandler zeigen Fig. 2 und 3 schematisch bzw. teilweise im Schnitt. Darin bedeutet 21 die feststehende Wicklung. Die bewegliche Wicklung 22 ist mit der feststehenden über die flexiblen Verbindungen 23 verbunden. 24 ist die Sekundärwicklung eines als Ringkernwandler mit extrem kleiner Streuinduktivität und sehr kleinen Kupferverlusten ausgebildeten Stromwandlers mit dem Eisenkern 25 und der Primärwicklung 26, die in leitender Verbindung mit dem Kondensator 27 und der Kaltkathodenröhre 28 steht. Bei Entladung fließt ein Strom in der Pfeilrichtung durch die beiden Wicklungen, wodurch eine impulsartige abstoßende Kraft zwischen ihnen entsteht. In dieser Ausführungsform sind erfindungsgemäß die Größen R, L, C so bemessen, daß der Dämpfungsfaktor D zwischen 0,25 und 0,60 liegt. Kupferfüllfaktor und Kopplung erreichen ihren theoretisch höchstmöglichen und der Spulenabstand α seinen tiefstmöglichen Wert. Der Wandler erlaubt, die Spannung im Impulskreis und damit auch den Impulsstrom auf der Primärseite entsprechend den jeweils gegebenen Verhältnissen am günstigsten zu wählen; zudem ist durch den Wandler eine einwandfreie Isolation zwischen dem elektrodynamischen System und dem Betätigungskreis gegeben.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamisches Antriebssystem, insbesondere für elektrische Schalter, dadurch gekenn zeichnet, daß Widerstand R, Induktivität L und Kapazität C des Impulsstromkreises so gewählt sind, daß der Dämpfungsfaktor

D = R

innerhalb der Grenzen 0,25 und 0,60 hegt.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Spule aus isoliertem Vierkant-Silberdraht besteht.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Spule nur eine Windung aufweist und aus einem Material besteht, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens die von Elektrolytkupfer erreicht.

4. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen aus je einer Windung bestehen und gegenläufig vom gleichen Strom durchflossen sind.

5. Antriebssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Antriebssystems über einen Stromwandler erfolgt.

6. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler als Ringkernwandler mit extrem kleiner Streuinduktivität und sehr kleinen Kupferverlusten ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 227246.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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