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Die Neuerung betrifft eine Antriebseinheit für einen Stufenschalter zur Betätigung von Schaltkontakten.
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Wie aus der
DE19816543C2 bekannt ist, werden üblicherweise Motorantriebe zum Betreiben von Stufenschaltern verwendet. Trotz des Zusammenwirkens von Motorantrieb und Stufenschalter sind diese räumlich getrennt angeordnet. Der Stufenschalter selbst ist, bis auf den oben herausragenden Stufenschalterkopf, in den Transformatorkessel versenkt, während der Motorantrieb außerhalb des Transformators, in der Regel an dessen Außenwand, angeordnet ist. Die Verbindung zwischen Motorantrieb und Stufenschalter erfolgt über einen Wellenzug, welcher aus einzelnen Wellen, Kupplungen und Gelenken besteht.
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Auch aus
1 der
DE10119664A1 ist das allgemeine Prinzip der Betätigung des Stufenschalters mittels eines Motorantriebs bekannt. Der außen am Transformatorgehäuse angeordnete Motorantrieb betätigt den Stufenschalter über Antriebswellen. Die Steuerung des Motorantriebs erfolgt hierbei mit Hilfe eines Spannungsreglers, der die Steuerbefehle durch ständiges Vergleichen von Ist- und Sollspannungen am Transformator ermittelt.
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Die
DE4214431C3 offenbart ebenfalls einen Stufentransformator der mit Hilfe eines Stufenschalters und eines Antriebsmotors beschaltet wird. Der Stufenschalter und der Antriebsmotor sind über Antriebswellen und ein Lastgetriebe miteinander verbunden. Ein weiteres Getriebe, welches an einer Antriebswelle befestigt ist, ermittelt mit Hilfe eines Stellungsgebers die Position des Stufenschalters und leitet diese an die Steuerung. Die Steuerung ist wiederum für den Antriebsmotor verantwortlich und bestimmt über den Umschaltzeitpunkt.
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Ein großer Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebseinheiten liegt in den verwendeten Last- und Steuergetrieben. Die Verbindung dieser einzelnen Getriebe untereinander ist komplex sowie zeit- und kostenintensiv. Auch die Verwendung einfacher Drehstrommotoren als Antriebsmittel bringt Nachteile mit sich. So ist es sehr schwierig und vor allem kostenintensiv, Drehstrommotoren mit konstanten Leistungseckdaten zu beziehen. Die Inhomogenität der Parameter der Drehstrommotoren erfordert zusätzliche Sensoren oder individuell angepasste Getriebe. Auch die Wellenzüge stellen eine große Fehlerquelle dar. Die Kupplungen, die zum Verbinden der Wellen untereinander dienen, verschleißen mit der Zeit und können keine sichere und zuverlässige Funktion garantieren. Geringes Spiel der einzelnen Teile summiert sich über den gesamten Antriebstrang und bildet am Ende, nämlich am Stufenschalter, große Abweichungen.
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Die Aufgabe der Neuerung ist es somit, eine Antriebseinheit für einen Stufenschalter bereitzustellen, die näher am Stufenschalter angeordnet ist, eine schnelle und sichere Betätigung des Stufenschalters gewährleistet und dabei einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit für Stufenschalter gelöst, die aus einem unmittelbar am Schaltkontakt angeordneten Drehmagnet besteht, der durch Anlegen von Spannung einen Schaltkontakt öffnet oder schließt.
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Zwar ist aus der
EP2312605A1 ein Unterbrecher (ein sog. „Circuit Breaker”), der aus einem magnetischen Aktor und einer durch ihn betätigbaren Vakuumschaltröhre besteht, bekannt, diese Ausführungsform ist jedoch für Stufenschalter ungeeignet. Die Neuerung soll nachfolgend anhand von Figuren erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine Antriebseinheit für einen Stufenschalter
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2 eine Antriebseinheit mit einem Kupplungselement
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3 eine Antriebseinheit mit einer Zahnstangenverbindung
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4 eine Antriebseinheit mit einem Doppelzahnrad
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5 eine Antriebseinheit mit einer Drehkupplung
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6 eine Antriebseinheit mit einer Drehkupplung mit einem zusätzlichen Zwischenelement
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7 unterschiedliche Gleitnuten
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8 eine Antriebseinheit mit einer besonders ausgebildeten Drehkupplung
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9 eine Antriebseinheit mit einer Kulisse
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1 zeigt eine neuerungsgemäße Antriebseinheit (1) bestehend aus einem Ring (2), der aus einem ferromagnetischen Material besteht, an dem eine erste Spule (3) und eine zweite Spule (4) angeordnet sind. Im Inneren des Rings (2) befindet sich ein Rotor (5) der drehbar um eine Symmetrieachse (6) gelagert ist. Durch Anlegen einer Spannung an mindestens eine der Spulen (3, 4) wird durch Reluktanz eine Kraft auf den Rotor (5) ausgeübt und dieser in Drehung versetzt. Durch unterschiedliche Beschaltung der Spulen (3, 4) können die Drehrichtung des Rotors (5) und/oder die durch die Reluktanz wirkende Kraft variiert werden. Dies hängt auch davon ab, ob der Rotor (5), nachdem keine Spannung mehr an den Spulen (3, 4) anliegt, in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Durch gezieltes Anlegen von Spannungen ist es möglich, den Rotor (5) mittels einer ersten Spule (3) in eine Richtung zu drehen und mit der zweiten Spule (4) in die entgegengesetzte.
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Der Rotor (5) ist an einem Ende mechanisch mit einem Stößel (7) verbunden. Am gegenüberliegenden Ende ist der Stößel (7) an einem Schaltkontakt (8) mechanisch befestigt. Wird der Rotor (5) in Drehung versetzt, kommt es zu einer Umwandlung der Drehbewegung in eine lineare Bewegung, so dass am Stößel (7) gezogen bzw. auf diesen gedrückt wird; der Schaltkontakt (8) wird geöffnet bzw. geschlossen.
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In 2 ist eine weitere neuerungsgemäße Ausführungsform der Antriebseinheit (1) abgebildet. Zwischen dem Schaltkontakt (8) und dem Rotor (5) ist ein Kupplungselement (9) angeordnet. Das Kupplungselement (9) ist über den Stößel (7) mit dem Schaltkontakt (8) und über einen Kupplungsstößel (10) mit dem Rotor (5) verbunden. Das Kupplungselement (9) funktioniert nach dem Schlagprinzip und ist besonders zum Lösen von verklebten oder verschweißten Schaltkontakten (8) geeignet. Beim Betätigen der Antriebseinheit (1) werden der Rotor (5) und der mit ihm verbundene Kupplungsstößel (10) bewegt. Da dieser einen Freilauf aufweist, kommt es zunächst noch nicht zur Betätigung des Schaltkontaktes (8). Am Ende des Freilaufs wird durch den plötzlich auftretenden Widerstand ein Impuls erzeugt. Dieser wird auf den Schaltkontakt (8) übertragen und löst so die verschweißten oder verklebten Stellen im Inneren. Durch die Größe des Freilaufs kann die Impulsstärke variiert werden.
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3 zeigt eine weitere neuerungsgemäße Ausführungsform der Antriebseinheit (1), bei der der Rotor (5), hier nicht dargestellt, mit einem Zahnrad (11) mechanisch verbunden ist und dieses antreibt. Der mit dem Schaltkontakt (8) verbundene Stößel (7) weist eine Verzahnung auf und ist durch diese mit dem Zahnrad (11) mechanisch verbunden, Durch das formschlüssige Ineinandergreifen wird die Drehbewegung des Zahnrades (11) in eine lineare Bewegung des Stößels (7) umgewandelt; der Schaltkontakt (8) wird geöffnet bzw. geschlossen.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antriebseinheit (1) in Verbindung mit einem Doppelzahnrad (12), welches durch den Rotor (5), hier nicht dargestellt, angetrieben wird. Das Doppelzahnrad (12) besteht aus einem ersten Zahnradelement (13) und einem zweiten Zahnradelement (14). Jedes der Zahnradelemente (13, 14) ist mit einer ersten und einer zweiten Zahnstange (15, 16) mechanisch verbunden und wandelt über diese die Drehbewegung in eine lineare Bewegung um. Beide Zahnstangen (15, 16) sind jeweils an einem Ende mit je einem Hebel (17, 18) mechanisch verbunden. Der erste Hebel (17) ist mit einem ersten Lager (19) und der zweite Hebel (18) mit einem zweiten Lager (20) mechanisch verbunden. Am oberen Ende des Stößels (7), der den Schalkontakt (8) betätigt, sind ein erster Bolzen (21) und ein zweiter Bolzen (22) vertikal übereinander angeordnet. Über diese Bolzen (21, 22) werden die Bewegungen der Hebel (17, 18) auf den Stößel (7) übertragen.
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Wird die Antriebseinheit (1) betätigt, übt das Doppelzahnrad (12) eine Drehbewegung aus und bewegt damit die beide Zahnstangen (15, 16). Durch unterschiedliche Verzahnungen der Zahnstangen (15, 16) und der Zahnradelemente (13, 14) ist es möglich, eine Übersetzung zu realisieren. Da die erste Zahnstange (15) eine feine Verzahnung aufweist, ist die lineare Bewegung relativ kurz. Dadurch wird jedoch eine große Kraft erzeugt, die über den ersten Hebel (17) auf den ersten Bolzen (21) wirkt und damit den Stößel (7) bewegt. Auch die zweite Zahnstange (16) wird parallel dazu bewegt, diese hat jedoch eine grobe Verzahnung und legt einen großen Weg zurück. Auch die zweite Zahnstange (16) überträgt die Bewegung über den zweiten Bolzen (22) auf den Stößel (7). Durch die beabsichtigte Beabstandung der Bolzen (21, 22) betätigt zunächst nur der erste Hebel (17) den Stößel (7). Nach einer bestimmten Zeit greift dann der zweite Hebel (18) am zweiten Bolzen (22) an und führt die Bewegung des Stößels (7) fort. Durch die Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, durch die erste Zahnstange (15) eine hohe Kraft zu erzeugen, um verklebte oder verschweißte Schaltkontakte (8) zu lösen und durch die zweite Zahnstange (16), mit der groben Verzahnung, den Schaltkontakt (8) weit zu öffnen.
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In 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Antriebseinheit (1) abgebildet, bei der eine Drehkupplung (23) vor dem Schaltkontakt (8) vorgeschaltet ist. Diese besteht aus einem Kupplungsrotor (24), der mit der Antriebseinheit (1) verbunden ist, und einem Kupplungsstator (25), der mit dem Schaltkontakt (8) verbunden ist. Der Kupplungsstator (25) weist am Umfang mindestens eine Gleitnut (26) auf, die korrespondierend zu einer hier nicht dargestellten Gleitnut im Kupplungsrotor (24) eingebracht ist. In der Gleitnut (26) ist eine Kugel (27) als Lagerelement angeordnet. Wird die Antriebseinheit (1) betätigt, also der Rotor (5) gedreht, dreht sich der Kupplungsrotor (24) ebenfalls mit. Dadurch, dass die Gleitnut (26) eine Steigung aufweist und der Kupplungsstator (25) fest am Schaltkontakt (8) angebracht ist, bewegt sich dieser vertikal nach oben; der Schaltkontakt (8) wird geschlossen bzw. geöffnet. Durch unterschiedlich gestaltete Gleitnuten (26) sind verschiedene Betätigungsvorgänge mit unterschiedlichen Phasen möglich (siehe 7).
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform der Drehkupplung (23) dargestellt, die zwischen einem Antrieb (1) und einem Schaltkontakt (8) angeordnet ist. Zwischen dem Kupplungsrotor (24) und dem Kupplungsstator (25) ist umfangsseitig ein weiteres Zwischenelement (28) angeordnet. Dieses ist drehbar mechanisch mit beiden Teilen verbunden. An der Außenseite des Zwischenelements (28) befinden sich Gleitnuten, die mit den Gleitnuten (29) des Kupplungsrotors (24) korrespondieren. An der Innenseite des Zwischenelements (28) befinden sich Gleitnuten, die mit den äußeren Gleitnuten (26) des Kupplungsstators (25) korrespondieren. Die Gleitnuten (26, 29) unterscheiden sich durch ihre Steigungen und dienen unterschiedlichen Phasen eines Schaltvorgangs. In den Gleitnuten (26, 29) befindet sich mindestens eine Kugel (27) die als Lagerelement dient. Durch Betätigung des Antriebs (1) wird zunächst der Kupplungsrotor (24) und danach das Zwischenelement (28) gedreht. Die Drehung beider Teile wird in eine vertikale Bewegung umgewandelt und somit der Schaltkontakt (8) betätigt.
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In 7 sind unterschiedliche Gleitnuten (30, 31, 32) dargestellt, mit deren Hilfe unterschiedliche Betätigungsphasen, in Verbindung mit dem Kupplungsrotor (24), Kupplungsstator (25) oder Kupplungselement (28) umgesetzt werden können. Eine L-förmige Gleitnut (30) weist im ersten Abschnitt eine geringe Steigung auf und kann damit eine verhältnismäßig große Kraft erzeugen. Diese ist vor allem zum Lösen von verklebten oder verschweißten Schaltkontakten (8) nötig. Im zweiten Abschnitt ist die Steigung größer als zu Beginn. Die erzeugte Kraft ist zwar kleiner als in der Anfangsphase, dafür kann der Schaltkontakt (8) relativ schnell weit geöffnet werden. Durch die Form der Gleitnuten ist es möglich unterschiedliche Phasen eines Öffnungsvorgangs zu realisieren und so an unterschiedlichste Anforderungen anzupassen.
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In 8 ist eine weitere Drehkupplung (23) dargestellt, die zwischen dem Antrieb (1) und dem Schaltkontakt (8) angeordnet ist. Diese besteht ebenfalls aus einem Kupplungsrotor (24) und einem Kupplungsstator (25). In der Stirnfläche des Kupplungsstators (25) ist eine Rollnut (33) eingebracht, die Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen aufweist. In dieser Rollnut (33) befindet sich eine Kugel (27), die als Lagerelement dient. Bei einer Betätigung des Antriebs (1) wird der Kupplungsrotor (24) in Drehung versetzt. Durch das Mitbewegen der Kugel (27) kommt es zu einem Abtasten der Kontur der Rollnut (33) und somit zu einer Umwandlung der Drehbewegung in eine lineare Bewegung des Kupplungsstators (25); der Schaltkontakt (8) wird betätigt.
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In 9 ist eine Ausführungsform der Erfindung abgebildet, in der die Betätigung des Schaltkontakts (8) indirekt über eine Kulisse (34) erfolgt. Der mit dem Schaltkontakt (8) mechanisch verbundene Stößel (7) weist am oberen Ende eine Nocke (35) auf, die auf der Kontur der Kulisse (34) aufliegt. Die Kulisse (34) ist außerdem mechanisch über ein Verbindungselement (36) mit der Antriebseinheit (1) verbunden. Wenn die Antriebseinheit (1) betätigt wird, überträgt dieser die lineare Bewegung auf die Kulisse (34). Durch diese Bewegung wird durch das Abtasten der Kontur durch die Nocke (35) auch der Schaltkontakt (8) betätigt.
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Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die einzelnen Antriebe unabhängig voneinander betätigbar und dadurch komplexe Schaltabläufe realisierbar sind. Positiv ist auch das Wegfallen der vielen Getriebe sowie der Wellen. Die vereinfachte Konstruktion und die nicht mehr benötigten Einzelteile vereinfachen die Produktion und senken die Kosten. Auch die Auswirkungen des Verschleißes einzelner Teile verlieren durch die Reduktion der Antriebseinheit auf einige wenige Bauteile an Bedeutung. Der Austausch defekter oder verschlissener Komponenten kann schneller und gezielter durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Ring
- 3
- Erste Spule
- 4
- Zweite Spule
- 5
- Rotor
- 6
- Symmetrieachse
- 7
- Stößel
- 8
- Schaltkontakt
- 9
- Kupplungselement
- 10
- Kupplungsstößel
- 11
- Zahnrad
- 12
- Doppelzahnrad
- 13
- Erstes Zahnradelement
- 14
- Zweites Zahnradelement
- 15
- Erste Zahnstange
- 16
- Zweite Zahnstange
- 17
- Erster Hebel
- 18
- Zweiter Hebel
- 19
- Erstes Lager
- 20
- Zweites Lager
- 21
- Erster Bolzen
- 22
- Zweiter Bolzen
- 23
- Drehkupplung
- 24
- Kupplungsrotor
- 25
- Kupplungsstator
- 26
- Gleitnut
- 27
- Kugel
- 28
- Zwischenelement
- 29
- Gleitnut
- 30
- L-förmige Gleitnut
- 31
- S-förmige Gleitnut
- 32
- diagonale Gleitnut
- 33
- Rollnut
- 34
- Kulisse
- 35
- Nocke
- 36
- Verbindungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19816543 C2 [0002]
- DE 10119664 A1 [0003]
- DE 4214431 C3 [0004]
- EP 2312605 A1 [0008]
