DE1171980B - Elektrodynamischer Antrieb - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 02 k

Deutsche KL: 21 dl-23

Nummer: 1171980

Aktenzeichen: S 73253 VIII b / 21 dl

Anmeldetag: 30. März 1961

Auslegetag: 11. Juni 1964

Im Hauptpatent 1 150 433 ist ein elektrodynamischer Antrieb für Einrichtungen zur Steuerung oder Regelung veränderlicher Ströme, insbesondere für Synchronschalter vorgeschlagen worden, bei dem 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 Luft- ίο spaltinduktion und dem nacheilenden Strom resultieren, beweglich sind. Der Arbeitsluftspalt ist vorzugsweise durch planparallele Flächen begrenzt. Das im Arbeitsluftspalt angeordnete Leitersystem kann beispielsweise eine in sich geschlossene Spule bilden, die wenigstens einen beweglichen, starren Leiter enthält. In dieser Spule wird durch den zeitlich veränderlichen Fluß ^₁ des Magnetkreises ein dem Hauptstrom I₁ um etwas mehr als 90° elektrisch nacheilender Sekundärstrom i₂ erzeugt, der zusammen mit der Luftspaltinduktion B eine auf den beweglichen Leiter wirkende Kraft ergibt, die dem Produkt i₂ · B proportional ist. Der Sekundärstrom i₂ kann ausschließlich durch den Fluß induziert werden, der die mit dem beweglichen Leiter versehene Spule durchsetzt. Man kann jedoch in Reihe mit dieser Spule auch noch eine Zusatzspule vorsehen, die den gesamten Fluß Φ₁ umschließt. In diesem Fall kann man die Anordnung so treffen, daß die mit dem beweglichen Leiter versehene Spule zu Beginn der Leiterbewegung die wirksame Fläche Null hat, so daß also der Sekundärstrom i₂ zunächst nur durch Induktion in der Zusatzspule erzeugt wird.

Wird ein solches System zum unmittelbaren Antrieb der beweglichen Kontakte eines Synchronschalters verwendet, so ist bei hohen Kurzschlußströmen mit Kräften in der Größe von 100 kp zu rechnen, die quer zur Längsrichtung des beweglichen Leiters wirken. Im Hauptpatent sind Ausführungsformen beschrieben, bei denen der bewegliche Leiter lediglich an seinen Enden mit anderen Bauteilen verbunden ist. Bei derartigen Anordnungen muß der Leiter entsprechend biegungssteif sein, da bleibende Deformationen nicht eintreten dürfen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem nach dem Hauptpatent zu schaffen, bei dem eine Biegungsbeanspruchung des beweglichen Leiters weitgehend vermieden ist. Die Erfindung besteht darin, daß der bewegliche Leiter mit mindestens zwei Drittel seiner im Ma-Elektrodynamischer Antrieb
Zusatz zum Patent: 1150 443

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Fritz Kesselring, Küsnacht, Zürich

(Schweiz)

gnetfeld befindlichen Länge auf einem bandförmigen Träger befestigt ist, der an den Luftspaltenden über parallel zur Luftspaltebene angeordnete Achsen geführt ist. Dadurch, daß der bewegliche Leiter mit einem großen Teil, insbesondere mit seiner gesamten aktiven Länge, d. h. demjenigen Teil, an dem die elektrodynamischen Kräfte angreifen, an einem bandförmigen Träger befestigt ist, gelingt es, die senkrecht zu seiner Längsrichtung wirkenden Kräfte durch eine Zugbeanspruchung des Bandes aufzunehmen, wobei die Last gleichmäßig über den bandförmigen Träger verteilt ist. Stahlbänder von nur 0,03 mm Dicke reichen erfahrungsgemäß aus, Kräfte der genannten Größe aufzunehmen, wobei die elastische Deformation des Bandes nur etwa 0,01 mm pro Zentimeter Bandlänge beträgt. Da der bewegliche Leiter nicht auf Biegung beansprucht ist, kann seine Masse klein gehalten werden, was zur Erzielung der angestrebten hohen Beschleunigungen von Vorteil ist. Bei den Achsen, um die das Band läuft, läßt sich eine gewisse Biegungsbeanspruchung nicht vermeiden. Man kann diese aber in an sich bekannter Weise dadurch klein halten, daß die Achsen an mehr als zwei Stellen gelagert werden.

Der bandförmige Träger kann aus einer dünnen Metall-, insbesondere Stahlfolie oder auch aus einer mechanisch festen Isolierstoffolie bestehen, z. B. aus Werkstoffen, wie Poly-Äthylen-Terephthalat. Da Folien eine gewisse Neigung zum Einreißen von den Rändern haben, kann es zweckmäßig sein, den bandförmigen Träger aus fadenförmigem Material nach Art einer einlagigen Spule herzustellen (s. Fig. 1), wobei dann die Windungen 1 zweck-

409 599/144·

mäßig mindestens teilweise durch ein Klebemittel 2 miteinander verbunden werden. Durch das Klebemittel 2 wird erreicht, daß das Band auch hohe Schubbeanspruchungen aufnehmen kann. Als fadenförmiges Material können dünne Drähte, insbesondere Stahldrähte mit einem Durchmesser von Via mm und weniger verwendet werden. Es ist aber auch möglich, andere Fäden aus Naturfasern (Baumwolle, Seide) oder aus Kunststoff, wie z. B. aus Polyamid-

Schaltstück, 30 eine mit dem Schaltstift 27 verbundene Klinke. Das Magnetsystem 31 wird über die Wicklung 32 vom Primärstrom Z₁ erregt. Der Anker 33 ist zugleich als Gegenklinke ausgebildet; er wird durch die Feder 34 entgegen der magnetischen Zugkraft noch oben gedrückt.

In der gezeichneten Stellung fließt der Primärstrom Z₁ über die Erregerwicklung 32, die Wicklung 35, den Gleitkontakt 28, den Schaltstift 27 zum fest-

Kunststoffen (im Handel unter der Bezeichnung io stehenden Schaltstück 29. Auf den Leiter 15, der »Nylon« erhältlich) u. dgl. zu verwenden. Bänder in vom Strom /_ä durchflossen wird, wirkt bei Form einer einlagigen Spule haben den Vorteil, daß
sie keinerlei quer zur Bewegungsrichtung liegende

Naht- oder Klebestellen aufweisen und gegen Ein

ansteigendem Strom I₁ eine Kraft nach links entgegen dem Pfeil 36, wodurch der Kontaktdruck zwischen dem Schaltstift 27 und dem Schaltstück 29 sich erreißen sehr widerstandsfähig sind. 15 höht. Sowie der Strom I₁ und damit auch der

Die aktiven Leiter der Gleitspule aus elektrisch Fluß Φ_λ zu fallen beginnen, nimmt die Kraft auf gut leitendem Material, wie Kupfer oder Hartsilber,
können in einfacher Weise auf das Band aufgeklebt

werden, z. B. mit einem Kleber auf der Basis von

Stromes Z₁ eine Unterbrechung zustande, so wird der Kontaktstift 27 in der Ausschaltstellung festgehalten, da die unter dem Einfluß der Feder 34

irgendeinem Grunde nicht erfolgt, so bleibt infolge der weiterbestehenden Erregung des Magnetsystems 31, 32 die Gegenklinke 33 in der gezeichneten Lage

den Leiter 15 die Richtung des Pfeiles 36 an. Das Band bewegt sich nun entgegen der Kraft der Feder 24 nach rechts, worauf unter dem Einfluß der Feder Epoxyharz. Die zulässige Festigkeit derartiger Kitt- 20 25 der Schalter 27, 29 in die Ausschaltstellung stellen beträgt mindestens 2 kp/mm². Um möglichst überführt wird. Kommt beim Nulldurchgang des große Festigkeit zu erzielen, wird man zweckmäßig
die aktiven Leiter der Gleitspule mit rechteckigem
Querschnitt ausführen und die Breitseite als Kittfläche benutzen. In einer beispielsweisen Aus- 25 nach oben gedrückte Klinke 30 sich hinter die führung beträgt der Flächeninhalt dieser Breitseite Gegenklinke 33 legt. Ist jedoch die Löschung aus 7 ^c 105 = 735 mm², was einer Haftkraft der Kittung
von mindestens 1400 kp entspricht. Noch günstiger
werden die Verhältnisse, wenn die Leiter je zweiteilig ausgeführt werden und das Band zwischen den 30 stehen, und der Schalter wird nun unter dem Ein-Leitern angeordnet ist. Hierdurch wird die Kitt- fluß der elektrodynamischen Kraft auf den Leiter 15 fläche verdoppelt und zudem vermieden, daß durch sofort wieder geschlossen, da der Strom Z₁ und damit die elektrodynamischen Kräfte ein Drehmoment auf auch der Fluß Φ₁ ihre Richtung wechseln, während den Leiter einwirkt und damit zusätzliche Be- der Strom i₂ zunächst in der gleichen Richtung anspruchungen auf das Band ausgeübt werden. Bei 35 weiterfließt.

gewickelten Bändern ist es zudem möglich, den Solange das Magnetsystem 11,12 ungesättigt ist,

aktiven Leiter 3 in F i g. 1 in das Band einzuflechten, weist die Kraft auf den Leiter 15 annähernd sinuswodurch sich noch höhere Festigkeitswerte erzielen förmigen Verlauf mit der doppelten Netzfrequenz lassen. Auf weitere Maßnahmen, die für eine opti- auf. Durch die Sättigung des Magnetkreises tritt male Auslegung eines derartigen elektrodynamischen 40 eine Verformung des Sekundärstromes /., derart auf, Antriebes von Bedeutung sind, wird an Hand der daß der Maximalwert größer wird, zugleich aber F i g. 2 bis 5 näher eingegangen. auch näher an den Nulldurchgang des Stromes Z₁

Die F i g. 2 und 3 zeigen eine beispielsweise Aus- heranrückt. Theoretische und experimentelle Unterführungsform mit einem Einfachband, während in suchungen haben gezeigt, daß bei großen Strömen den F i g. 4 und 5 eine Anordnung mit endlosem 45 zwar die Bewegung des Kontaktstiftes 27 später ein-Band dargestellt ist. setzt, jedoch mit größerer Geschwindigkeit erfolgt,

In den F i g. 2 und 3 bedeuten 11 und 12 die Pol- so daß trotzdem beim Nulldurchgang des Stromes Z₁ schuhe eines vom Primärstrom Z₁ erregten Magnet- jeweils die erforderliche Löschdistanz erreicht wird, systems. 13 ist ein U-förmiger, vom Magnetsystem F i g. 4 zeigt eine Anordnung mit endlosem Band

isolierter Bügel, dessen nach dem Luftspalt ge- 50 im Schnitt, während F i g. 5 den zugehörigen Grundrichtete Stirnflächen 14 und 14a blank sind. Den riß wiedergibt. Hierin bedeuten 41 und 42 die Pol-Rückschluß bildet der aktive Leiter 15, dessen schuhe eines kreisförmigen Magnetsystems; 43 und oberes und unteres Ende auf den Stirnseiten 14 und 44 sind die oberen, 45 und 46 die unteren Lager 14a des Bügels 13 aufliegen. Der Leiter 15 ist für die Achsen 47 und 48, über die die beiden endsymmetrisch zum bandförmigen Träger 16 angeord- 55 losen bandförmigen Träger 49 und 49 a lauf en. An net und seine beiden Teile oben und unten gut diesen Trägern sind die rechteckförmigen aktiven leitend miteinander verbunden. Zwischen dem band- Leiter 50 und 51 befestigt, die längs Kontaktbahnen förmigen Träger 16 und den Leitern 15 ist eine Iso- 52 und 53 bzw. 54 und 55 gleiten. Der Kontaktlation 17 vorgesehen; 18 und 18a sind Blattfedern, druck wird durch die Bandspannung selbst erzeugt, durch die die Enden des Leiters 15 gegen die blan- 60 über den Winkelhebel 56, der sich um die Achse ken Flächen 14, 14 a des U-förmigen Bügels 13 ge- 57 dreht, kann der bewegliche Kontakt 58 eines preßt werden; 19 ist eine Isolierschicht, auf der die nicht weiter dargestellten Schalters, dessen fest-Blattfedern 18 und 18 α gleiten. Das Band 16 ist an stehendes Schaltstück mit 59 bezeichnet ist, ein- und den Achsen 20 und 21 befestigt, die sich in den ausgeschaltet werden. Den Leitern 50 und 51 wird Lagern 22 und 23 drehen; es wird durch die Federn 65 über die gestrichelt angedeutete Zusatzwicklung 60 24 und 25 gespannt. Der verlängerte Hebel 26 greift Strom zugeführt, derart, daß die Stromrichtung in an dem beweglichen Schaltstift 27 an, der sich in den beiden Leitern 50 und 51 entgegengesetzt gedem Gleitkontakt 28 bewegt; 29 ist das feststehende richtet ist. Der Sekundärkreis ist dadurch ge-

schlossen, daß die auf der Rückseite der in F i g. 5 gezeichneten Anordnung angebrachten Kontaktbahnen 52 und 53 leitend miteinander verbunden sind. Die Stromzuführung zum Schalterkontakt 58 erfolgt über den Tulpenkontakt 63, der vom Strom Z₁ durchflossen wird und damit die Erregung des Magnetsystems 41, 42 bewirkt.

Die Wirkungsweise eines gemäß den F i g. 4 und 5 ausgebildeten Antriebs für Synchronschalter ist, wie bereits in der Beschreibung des Hauptpatentes und an Hand der F i g. 2 und 3 grundsätzlich erläutert wurde, die folgende:

Im Gebiet des Nennstromes, z. B. bis zum zweibis dreifachen des Nennstromes, sind die auf die beweglichen Leiter 50 und 51 ausgeübten Kräfte so gering, daß das System in der in F i g. 4 gezeigten Stellung stehenbleibt; es sei angenommen, daß der Synchronschalter in dieser Stellung geschlossen ist. Bei Auftreten eines Überstromes wird, solange der Strom noch ansteigt und damit der Fluß im Magnetkreis noch zunimmt, der Leiter 50 nach links und der Leiter 51 nach rechts gedrückt, wobei der bewegliche Schaltkontakt 58 gegen den festen Gegenkontakt 59 gepreßt wird. Sobald jedoch der magnetische Fluß zu fallen beginnt, wirken auf die magnetischen Leiter 50 und 51 Kräfte, durch die sie in Richtung der eingezeichneten Pfeile 61 und 61a bewegt werden (Fig. 5). Dadurch wird der Schalterkontakt 58 über den Winkelhebel 56 nach unten verschoben und damit der Schalter geöffnet. Sollte im Nulldurchgang des Stromes Z₁ die Löschung des Lichtbogens nicht gelingen, so kehren der Strom Z₁ und damit der Fluß Φ₁ ihre Richtung um. Da der Strom in den Leitern 50 und 51 dem Fluß Φ₁ um etwas mehr als 90° nacheilt, behält er zunächst seine Richtung bei, so daß die Leiter 50 und 51 entgegen der Richtung der in F i g. 5 eingezeichneten Pfeile 61 und 61« wieder zurückbewegt werden. Dies hat zur Folge, daß der Schalter sofort wieder geschlossen wird. Kurz vor dem folgenden Stromnulldurchgang wiederholt sich der Abschaltvorgang in der beschriebenen Weise.

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

Rechnung und Versuch haben ergeben, daß es für die Wirkungsweise von elektrodynamischen Antrieben mit Zusatzwicklung von großer Bedeutung ist, daß die Eigeninduktivität der aus den beiden beweglichen Leitern 50 und 51 gebildeten Schleife bei Beginn der Ausschaltbewegung möglichst klein ist. Dies kann, wie F i g. 5 zeigt, dadurch verwirklicht werden, daß die Leiter 50 und 51 sich in der Anfangsstellung gegenüberstehen. Die von ihnen umfaßte Fläche und damit die Induktivität sind dann sehr klein. Der Sekundärstrom weist gegenüber der Flußänderung nur eine geringe Phasenverschiebung von beispielsweise 10 bis 15° auf und steigt praktisch unverzögert an, da auch die magnetische Zeitkonstante des Sekundärkreises LJR₂ « 10—³ Sekunden verhältnismäßig klein ist.

Unter Umständen ist es notwendig, den Sekundärkreis des elektrodynamischen Antriebs unter normalen Betriebsbedingungen zu öffnen, was durch einen zusätzlichen Kontakt im Sekundärkreis erfolgen kann. Zwecks konstruktiver Vereinfachung ist es aber auch möglich, einen der Gleitkontakte, beispielsweise den zwischen dem aktiven Leiter 51 und der Kontaktbahn 53 vorhandenen Gleitkontakt, zusätzlich auch als Schaltkontakt zu benutzen. Es sind zu diesem Zweck Langlöcher 64 und 65 vorzusehen. Dies ermöglicht, durch eine nicht dargestellte Anordnung die Kontaktbahn 53 .vom Leiter 51 zu trennen. Es ist dann allerdings erforderlich, auf der Stirnfläche des Pols 41 eine Isolierschicht vorzusehen, ähnlich der mit 19 bezeichneten Isolierschicht in Fig. 2. Bei relativ langen Leitern 50 und 51, die auch einen breiten bandförmigen Träger 49 erfordern, kann es zweckmäßig sein, noch Stützlager und 67 vorzusehen, wie dies in F i g. 4 angedeutet ist. Um die Stützlager befestigen zu können, ist es notwendig, den bandförmigen Träger 49 an diesen Stellen zu schlitzen oder, wie in F i g. 4 angedeutet, zwei Träger 49 und 49 α zu verwenden. Die gesamte Bandbreite sollte jedoch mindestens zwei Drittel der aktiven Leiterlänge betragen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamischer Antrieb für Einrichtungen zur Steuerung oder Regelung veränderlicher Ströme, insbesondere für Synchronschalter, bei dem 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, nach Patent 1150 443, dadurch gekennzeichnet, daß ein beweglicher Leiter mit mindestens zwei Dritteln seiner im Magnetfeld befindlichen Länge auf einem bandförmigen Träger befestigt ist, der an den Luftspaltenden über parallel zur Luftspaltebene angeordnete Achsen geführt ist.

2. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als endloses Band ausgebildet ist, das über zwei Achsen geführt ist.

3. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Metallband ist.

4. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Isolierband ist.

5. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einer einlagigen Wicklung aus draht- oder fadenförmigem Material besteht, deren Windungen mindestens teilweise durch ein Klebemittel miteinander verbunden sind.

6. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Leiter rechteckförmigen Querschnitt hat und mit seiner Breitseite auf dem Träger befestigt ist.

7. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Leiter symmetrisch zur Trägerebene angeordnet ist.

8. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Enden des aktiven Leiters als Kontakte ausgebildet sind und längs Kontaktbahnen laufen.

9. Elektrodynamischer Antrieb nach Anspruch 2, mit mindestens zwei gegenläufig bewegten aktiven Leitern, die mit einer Zusatzspule verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter derart angeordnet sind,

daß sie in der einen Endlage eine induktivitätsarme Schleife bilden.

10. Elektrodynamischer Antrieb nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Leiterkontakte zugleich als Schaltkontakt für die Ein- und Ausschaltung des aus Zusatzwicklung und Leiterschleife gebildeten Stromkreises dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 599/144 6.64 © Bundesdruckerei Berlin