DE1150443B

DE1150443B - Elektrodynamischer Antrieb

Info

Publication number: DE1150443B
Application number: DES71720A
Authority: DE
Inventors: Bruno Leisi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-12-19
Filing date: 1960-12-19
Publication date: 1963-06-20
Also published as: CH401210A; DE1171980B; US3215796A

Description

Es ist bereits vorgeschlagen worden, für die Steuerung oder auch für einen unmittelbaren Antrieb elektrischer Schalter elektrodynamische Systeme der Drehspul- oder Tauchspulart zu verwenden. Die Spule befindet sich dabei im Luftspalt eines Magnetsystems, das von dem zu unterbrechenden Strom erregt wird, während die Spule selbst einen Strom führt, der dem zu unterbrechenden Strom nacheilt. Um große Beschleunigungen zu erzielen, müssen der Luftspalt klein gemacht und die Spule mit möglichst geringer Masse ausgeführt werden. Dieses System hat sich bei Synchronauslösern und auch zum unmittelbaren Antrieb von Schaltern bewährt.

Es ist ferner ein elektrodynamisches System zur Erzeugung mechanischer Impulse bekannt, das im wesentlichen aus einer feststehenden Primärspule und einer damit induktiv, aber lediglich über Luft gekoppelten deformierbaren Sekundärspule besteht, die im Ruhezustand nicht kreisförmig ist und bei einer Änderung des Erregerstromes in der Primärspule kreisförmige Gestalt anzunehmen versucht. Die bei dieser Deformierung der Sekundärspule erzeugte Kraft hat stets die gleiche Richtung, da sich die Sekundärspule nicht elektrodynamisch zusammenziehen kann.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Antrieb für Einrichtungen zur Steuerung oder Regelung veränderlicher Ströme, insbesondere für Synchronschalter. Sie besteht darin, daß in einem Arbeitsluftspalt eines von dem zu steuernden Strom (Hauptstrom) erregten Eisenkernes ein Leitersystem angeordnet ist, das von einem dem Hauptstrom um etwa 90° elektrisch nacheilenden Strom durchflossen ist und starre Teile aufweist, die unter dem Einfluß von Kräften, die aus der Luftspaltinduktion und dem nacheilenden Strom resultieren, beweglich sind. Die Erfindung ermöglicht es, mit einfachen Mitteln eine hohe mechanische Festigkeit des beweglichen Systems zu erzielen, so daß große Arbeitskräfte erzeugt werden können. Hierbei hat die auf die beweglichen Leiter ausgeübte Kraft bei ansteigendem Hauptstrom das entgegengesetzte Vorzeichen wie bei abfallendem Hauptstrom. Diese Wirkungsweise ist insbesondere bei Verwendung des Antriebssystems für Synchronschalter von Bedeutung.

Zweckmäßig wird der Luftspalt durch planparallele Flächen des Magnetsystems begrenzt. Das Leitersystem kann so ausgebildet und angeordnet sein·, daß der in ihm fließende Strom lediglich durch Änderung des vom Leitersystem umschlossenen Flusses erzeugt wird. Außerdem kann jedoch auch im Leitersystem ein Strom von einer zusätzlichen Elektrodynamischer Antrieb

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Bruno Leisi, Zürich (Schweiz), ist als Erfinder genannt worden

Spannungsquelle hervorgerufen werden. Als solche zusätzliche Spannungsquelle kann beispielsweise eine in Reihe mit dem Leitersystem liegende Wicklung dienen, welche mit dem Magnetkreis verkettet ist.

Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 sind mit 1 und 2 die Polschuhe eines feststehenden Magnetsystems bezeichnet; 3 ist der dazwischen befindliche Luftspalt, 4 und 5 sind starre Leiter, die über die außerhalb des Luftspaltfeldes befindlichen flexiblen Leitungen 6 und 7 miteinander verbunden sind. Mit 8, 9 und 10, 11 sind elektrisch nichtleitende Gelenkstäbe bezeichnet, die einerseits mit den starren Leitern 4, 5, andererseits mit den Schaltstiften 12, 13 gelenkig verbunden sind; 14, 15 sind Gleitkontakte, die über die Erregerspule 16 des Magnetsystems miteinander in Verbindung stehen, während 17 und 18 die feststehenden Kontakte bedeuten. Im gezeichneten Zustand der Anordnung fließt der Strom von dem feststehenden Schaltstück 18 über den Schaltstift 13, den Gleitkontakt 15, die Erregerspule 16 zum Gleitkontakt 14 und über den Schaltstift 12 zum feststehenden Schaltstück 17. Wird nun das Magnetsystem von einem abnehmenden Fluß in der eingezeichneten Richtung durchsetzt, so entstehen in den starren Leitern 4 und 5 Ströme, wie sie durch die entsprechenden Pfeile angedeutet sind. Unter dem Einfluß der Luftspaltinduktion werden die beiden Leiter 4 und 5 nach außen gedrückt, wobei die Gelenkverbindungen 8, 9 bzw. 10, 11 gestreckt und damit die Schaltstifte 12 und 13 in Ausschaltrichtung bewegt werden. Wechselt der magnetische Fluß nach Durch-

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laufen des Stromnulldurchganges seine Richtung, so bleibt die Stromrichtung in den Stäben 4 und 5 vorerst noch erhalten, während sich die Kraftrichtung umkehrt. Die beiden Stäbe bewegen sich somit nach innen, was eine Schließung des Schalters zur Folge hat.

Ein solches System eignet sich daher als Synchronschalter in Wechselstromnetzen, wobei die Erregerspule 16 von dem zu unterbrechenden Strom durchgezeichneten Pfeilrichtungen. Man erkennt somit, daß nicht nur auf die Stäbe 41 und 42, sondern zusätzlich auch noch auf die Gelenkstäbe 43 bis 46 Kräfte ausgeübt werden; die gelenkigen Querverbindungen zwischen den Stäben 41 und 42 tragen somit zur Krafterzeugung bei. Für gewisse Anwendungen kann die dabei sich ergebende Kniehebelwirkung, die dann auftritt, wenn sich die Gelenkstäbe 43, 44 und 45, 46 ihren Endlagen nähern, von Be-

flossen wird. Während bei Nennstrom die Kräfte so i₀ deutung sein. Bei ansteigendem Fluß ändert sich klein sind, daß sich die beweglichen Leiter praktisch auch hier die Kraftwirkung; das System bewegt sich in Ruhe befinden, werden bei Auftreten eines Über- dann in Richtung der punktiert eingezeichneten stromes, solange der Fluß bzw. der auszuschaltende Pfeile.

Strom noch zunimmt, die Leiter 4 und 5 nach innen In Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, bei der

gedrückt. Sobald jedoch der Fluß abnimmt, werden _lg dem beweglichen System zusätzlich von außen eine

die genannten Leiter nach außen bewegt, wodurch eine Unterbrechung des Stromkreises an den Kontakten 17 und 18 erfolgt. Dabei wird die Bemessung so getroffen, daß im Stromnulldurchgang der Abstand

Spannung aufgedrückt wird. Es bedeutet 61 einen feststehenden, gut leitenden Winkel, der über ein Isolierstück 62 mit dem kleineren, ebenfalls gut leitenden Winkel 63 verbunden ist. Mit 64 ist ein

der Kontakte in an sich bekannter Weise mindestens ₂₀ in den Gleitkontakten 65 und 66 translatorisch im gleich der Löschdistanz ist. Sollte jedoch der Schalter Luftspalt des Magneten 67 verschiebbarer Leiter bezeichnet. Der angedeutete Fluß im Luftspalt wird durch eine nicht dargestellte Erregerwicklung erzeugt.

An die Klemmen 68 und 69 der Winkel 61 und 63

im Nulldurchgang nicht löschen und daher der Strom
nach dem Nulldurchgang wieder ansteigen, so
werden die Leiter 4 und 5 nach innen gedrückt, weil
der Fluß seine Richtung umkehrt, der nacheilende 25 ist die Stromquelle 70 angeschlossen, die in dem Strom in den Leitern 4 und 5 aber zunächst seine Winkel 61 und im Leiter 64 einen Strom in der ein-Richtung beibehält. Der Schalter schließt sich daher gezeichneten Pfeilrichtung erzeugt. Bei der angenombei einem erfolglosen Abschaltversuch wieder von menen Flußrichtung wird der Leiter 64 bei abnehselbst und wiederholt die synchrone Abschaltung mendem Fluß nach links verschoben. Die von der beim nächsten Stromnulldurchgang. Auch wenn z. B. 30 Induktion im Luftspalt herrührende Kraft wird noch bei einer asynchronen Abschaltung kleiner Ströme unterstützt durch die abstoßende Wirkung zwischen

den von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossenen Leitern 61 und 64. In der gezeichneten Stellung ist die induzierte Spannung sehr gering. Dies kann von Nutzen sein, wenn der Leiter 64 zum Antrieb eines Synchronschalters benutzt wird und wenn man den Strom in der Leiterschleife bei Nennstrom möglichst klein halten will.

Die Stromquelle 70 kann an sich beliebiger Art

und 26 gelagert; 27 und 28 bedeuten wieder flexible 40 sein. Im Fall eines Antriebssystems für Synchronleitende Verbindungen; 29 ist der eine hintere Pol- schalter hat sie die gleiche Frequenz wie der zu

unterbrechende Strom, der das magnetische Feld erzeugt. Als Stromquelle kann in diesem Fall beispielsweise ein Stromwandler dienen, dessen Primärwicklung von dem zu steuernden oder abzuschaltenden Strom erregt wird, während die Sekundärwicklung an die Klemmen 68 und 69 angeschlossen ist. Dabei besitzt der Stromwandler einen oder mehrere Luftspalte, wodurch der Sekundärstrom eine Nacheilung

Schalter selbst nur eine Einfachunterbrechung auf- 50 von wenig mehr als 90° gegenüber dem Primärstrom weist. erhält. Als Stromquelle 70 kann auch z. B. eine

In den Fig. 1 und 3 sind die Schalter nur durch Wicklung dienen, die mit dem Magnetkreis 67 verihre Kontaktsysteme dargestellt. Als Schalter können kettet ist, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Eine bekannte Schalter wie Druckgasschalter und andere zusätzliche Stromquelle kann auch bei allen anderen verwendet werden. In Fig. 3 ist auch angedeutet, wie 55 Ausführungsbeispielen vorgesehen werden, eine Abschaltung kleiner Ströme von Hand vor- Es kann zweckmäßig sein, im Stromkreis der

Leiter 61 und 64 einen Schalter vorzusehen, der erst bei einem vorgegebenen Überstrom geschlossen wird. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist dieser Schal-

ϊη Fig. 4 bedeuten 41 und 42 zwei starre, gut 60 ter mit 71 bezeichnet. Ein derartiger Schalter kann leitende Stäbe; 43, 44 und 45, 46 sind weitere gut auch bei den anderen Ausführungsbeispielen anleitende Gelenkstäbe, die ebenfalls im Luftspalt un- gewendet werden, z. B. kann er in der Verbindungsmittelbar vor dem Polschuh 47 üegen. Auf die leitung 6 nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weitere kinematische Ausgestaltung, wie sie in den vorgesehen sein.

Fig. 1 und 3 angedeutet ist, wird hier der Einfach- 65 In Fig. 6 ist ein elektrodynamischer Antrieb scheheit halber verzichtet. Bei abnehmendem Ruß matisch dargestellt, bei dem die den Magnetkreis durch die vom Gelenksystem umrandete Fläche ent- erregende Wicklung mehr als eine Windung besitzt stehen auf sämtliche Gelenkstäbe Kräfte in den ein- und bei dem außerdem die im Luftspalt liegenden

durch eine Störung der Strom plötzlich zunimmt (Umschlagstörung), wird die begonnene Ausschaltbewegung wieder rückgängig gemacht und der Schalter geschlossen.

In Fig. 3 bedeuten 21 und 22 wiederum zwei starre, gut leitende Stäbe, die an ihrem unteren Ende mit Lenkern 23 und 24 starr verbunden sind; die Lenker sind in' den feststehenden Stützpunkten 25

schuh des Magnetfeldes; 30, 31 sind nichtleitende Gelenkstäbe, mit denen der Schaltstift 32 gelenkig verbunden ist; 33 ist ein Gleitkontakt, 34 der feststehende Kontakt.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 entspricht derjenigen gemäß Fig. 1 mit dem Unterschied, daß sich nun die Leiter 21 und 22 um die Stützpunkte 25 und 26 schwenken und daß der

genommen werden kann. Hierzu ist an dem Gelenk 35, 36 über eine Feder 37 ein Betätigungshebel 38 angelenkt.

Leiter an eine Spule angeschlossen sind, die mit dem Magnetkreis verkettet ist. Auf diese Weise lassen sich noch wesentlich größere Kräfte und Beschleunigungen erzielen. Im einzelnen bedeutet 81 ein rechteckiges, lameliiertes Magnetsystem, von dem ein Teil der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet ist. Mit 82 und 83 sind die Luftspalte bezeichnet, während 84 und 85 die in diesen Luftspalten angeordneten beweglichen Leiterteile darstellen. Sie sind über flexible, nicht dargestellte Zuleitungen mit den den ganzen Eisenquerschnitt umfassenden Zusatzspulen 86 und 87 in Reihe geschaltet. Die primäre Zuleitung ist mit 88 bezeichnet; sie steht an ihrem unteren Ende in Verbindung mit der Brücke 89, von der aus die beiden Spulen 90 und 91 abgezweigt sind, die in der Brücke 92 endigen, an der die Ableitung 93 angeschlossen ist. Man erkennt, daß die Primärdurchflutung einmal von dem Leiter 88 und zusätzlich von den Spulen 90 und 91 erzeugt wird, ferner daß sekundär die induzierte Spannung zum kleineren Teil in den Gleitspulen 84, 85, zum größeren Teil in den Zusatzspulen 86 und 87 erzeugt wird. Sämtliche Spulen können nicht nur eine Windung, wie es der Einfachheit halber dargestellt ist, sondern auch mehrere Windungen aufweisen. Im letzteren Fall lassen sich insbesondere die flexiblen Verbindungen wesentlich leichter herstellen, da der Drahtquerschnitt entsprechend klein ist. Die mechanische Weiterleitung der auf die Spulen 84 und 85 einwirkenden Kräfte kann in ähnlicher Weise wie beispielsweise in Fig. 1 erfolgen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Synchronschalter, dessen bewegliches System von einem elektrodynamischen Antrieb nach der Erfindung betätigt wird, und zwar zeigt Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII der Fig. 8 und Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 7.

Es bedeutet 101 einen Deckel, der die Durchführungen 102 und 103 trägt und auf dessen Innenseiten das Isolierrohr 104 befestigt ist. Mit 105 ist der ringförmige Magnetkreis mit den Luftspalten 106 und 107 bezeichnet. Der Magnetkreis 105 ist mit Hilfe des Flansches 108 an dem Isolierrohr 104 befestigt. Mit 109 ist eine Traverse bezeichnet, die ebenfalls mit dem Isolierrohr 104 verbunden ist. Sie weist Leisten auf, von denen nur die im linken Teil befindliche Leiste 110 zu sehen ist. Das bewegliche Leitersystem besteht aus je einem hochflexiblen aufgewickelten Band 112 bzw. 113, das innerhalb des Luftspaltes in Bügel 114 bzw. 115 mit U-förmigem Querschnitt gepreßt ist, während die aus dem Luftspalt herausragenden Teile frei liegen und daher ihre Flexibilität behalten. In der Zeichnung sind nur die dem linken Leitersystem zugeordneten Teile 116 und 117 zu sehen. Die Enden des aufgewickelten Bandes sind je gut leitend miteinander verbunden, beispielsweise zusammengelötet. Die Bügel 114 und 115 sind unten an den erwähnten Leisten gelagert, von denen nur die Leiste 110 zu sehen ist. Die Bügel 114 tragen oben die Gelenkstangen 120 und 121, mit denen die isolierende Traverse 122 gelenkig verbunden ist, die an ihrem anderen Ende mit entsprechenden Gelenkstangen· der rechten Leiterschleife verbunden ist. An der Traverse 122 ist eine I-förmige (Doppel-T-förmige) Isolierleiste 123 befestigt, die beim Ausschalten zwischen die federnden Kontakte 124 und 125 geschoben wird. Die Kontakte selbst sind am isolierenden, innerhalb des Rohres 104 angeordneten Zwischenboden 126 befestigt. Mit 127 und 128 sind Wicklungen bezeichnet, die um den Eisenkern des Magnetkreises 105 gelegt sind und deren Enden mit den Durchführungen 102 und 103 und den Kontakten 124 und 125 in Verbindung stehen. Ein druckfestes Gehäuse, das über den Dichtungsring 130 mit dem Deckel 101 verschraubt ist, trägt das Bezugszeichen 129.
Der Innenraum ist mit einem lichtbogenlöschenden

ίο Medium, z. B. SF₀, unter Überdruck gefüllt.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Im Gebiet des Nennstromes fließt der Strom über die Durchführung 102, die Wicklung 127, die Kontakte 124,125, die Wicklung 128 und weiter zur Durchführung 103. Die Kräfte auf die beweglichen Leiterschleifen 112,113 sind gering. Das System bleibt in der gezeichneten Stellung stehen. Bei Auftreten eines Überstromes werden die beweglichen Leiter 112 und 113, solange der Fluß durch den Magnetkreis 105 noch zunimmt, nach innen gedrückt, wobei die Isoliertraverse 122 gegen die obere Kante der Schlitze im Isolierrohr 104 gepreßt wird. Der linke Schlitz ist mit 118 bezeichnet. Sobald jedoch der magnetische Fluß zu fallen beginnt, werden in den beweg-

a5 liehen Leitern 112,113 Ströme in der eingezeichneten Pfeilrichtung induziert. Dies hat zur Folge, daß nach außen wirkende Kräfte entstehen. Die Isoliertraverse 122 zusammen mit dem I-Stück 123 werden mit großer Geschwindigkeit nach unten bewegt, was die Trennung der Kontakte 124 und 125 zur Folge hat. Es entsteht über das I-Stück hinweg ein zunächst haarnadelförmiger Lichtbogen, der durch die großen elektrodynamischen Kräfte zu einer Schleife 131 ausgeweitet wird, was im Zusammenwirken mit der SFg-Füllung die schnelle Löschung des Lichtbogens im Stromnulldurchgang zur Folge hat. Sollte in dem angesteuerten Stromnulldurchgang die Unterbrechung nicht zustande kommen, so behält zwar der Strom in den Leiterschleifen 112,113 seine Richtung bei, es ändert sich jedoch die Richtung des Flusses im Eisenkreis 105. Dies hat zur Folge, daß die Leiter 112,113 mit großer Kraft zusammengepreßt werden; die Isoliertraverse 122 mit dem I-Stück 123 bewegen sich nach oben, so daß die Kontakte 124 und 125 wieder in Berührung kommen, wodurch der Lichtbogen erlischt. Kurz vor dem nächsten Stromnulldurchgang wiederholt sich der Abschaltvorgang in der beschriebenen Weise.

Auch bei einem Wiederanstieg des Stromes vor dem Nulldurchgang infolge einer Umschaltstörung schließt sich der Schalter selbsttätig, und es wird beim folgenden Nulldurchgang die synchrone Abschaltung durchgeführt.

In den Ausführungsbeispielen ist das elektrodynamische System nach der Erfindung zum Antrieb des beweglichen Kontaktes eines Synchronschalters benutzt. Man kann das System aber auch als Synchronauslöser zur Freigabe eines Energiespeichers für das Ausschalten eines Synchronschalters verwenden. Ferner ist z. B. das Antriebssystem anwendbar zur Verstellung eines Widerstandes, der in einem Stromkreis bei Auftreten von Überstrom eingeschaltet wird. Hierbei wird die anziehende Kraft zwischen den Leitern 4 und 5 dazu benutzt, bei Stromanstieg einen Widerstand in den Stromkreis rasch einzuschalten, wobei nach Erreichen der Endstellung der Widerstand verklingt werden kann. Das Antriebssystem nach der Erfindung kann auch bei

anderen Steuereinrichtungen oder auch bei Regeleinrichtungen sinngemäß angewendet werden.

Claims

Patentansprüche :

1. Elektrodynamischer Antrieb für Einrichtungen zur Steuerung oder Regelung veränderlicher Ströme, insbesondere für Synchronschalter, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitsluftspalt eines von dem zu steuernden Strom (Hauptstrom) erregten Eisenkernes ein Leitersystem angeordnet ist, das von einem dem Hauptstrom um etwa 90° elektrisch nacheilenden Strom durchflossen ist und starre Teile aufweist, die unter dem Einfluß von Kräften, die aus der Luftspaltinduktion und dem nacheilenden Strom resultieren, beweglich sind.

2. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch planparallele Flächen des Magnetkreises begrenzt ist.

3. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitersystem elektrisch in sich geschlossen ist und der in ihm fließende Strom durch Änderung des vom Leitersystem im Luftspalt umschlossenen Flusses erzeugt wird.

4. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leitersystem von außen eine Spannung aufgedrückt wird.

5. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Luftspalt angeordneten Leiterteile sich parallel zu sich selbst bewegen.

6. Elektrodynamischer Antrieb nach An-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Luftspalt angeordneten starren Leiterteile schwenkbar sind.

7. Elektrodynamischer Antrieb nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Luftspalt angeordneten beweglichen Leiterteile über elektrisch leitende Gelenkstäbe verbunden sind.

8. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Gelenkstäbe derart im Luftspalt angeordnet sind, daß die auf sie einwirkenden Kräfte die Bewegung der anderen Leiterteile unterstützen.

9. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den starren Leiterteilen flexibel sind und außerhalb des Luftspaltes liegen.

10. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei starre Leiterteile, von denen mindestens einer beweglich im Luftspalt angeordnet ist, in der einen Grenzlage möglichst dicht aneinanderliegen, wobei der in ihnen fließende Strom mindestens zu Beginn der Bewegung von außen aufgedrückt wird und in den beiden Leiterteilen entgegengesetzte Richtung aufweist.

11. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem im Luftspalt eines Magnetkreises angeordneten Leitersystem ein Schalter liegt, der erst bei einem vorgegebenen Überstrom geschlossen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1748 670.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen