DE2109327A1 - Electromagnetically operated switch, in particular cryoswitch - Google Patents

Electromagnetically operated switch, in particular cryoswitch

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Description

8433-71/Dr.ν.B/Elf 4.Februar 19718433-71 / Dr.ν.B / Elf February 4, 1971

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 34 Göttingen,Bunsenstr.IOMax Planck Society for the Advancement of Science e.V., 34 Göttingen, Bunsenstrasse IO

Elektromagnetisch betätigbarer Schalter, insbesondere Kryoschalter Electromagnetically operated switch, in particular cryoswitch

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetisch betätigbaren Schalter, insbesondere Kryoschalter, mit zwei getrennt erregbaren Spulen, einem durch das Magnetfeld der Spulen betätigbaren, beweglichen Anker .und mindestens einem durch den Anker über ein Betätigungsglied gesteuerten Kontaktstückpaar.The present invention relates to an electromagnetically actuated switch, in particular a cryo switch two separately excitable coils, a movable armature that can be actuated by the magnetic field of the coils. and at least a pair of contact pieces controlled by the armature via an actuator.

Schalter mit diesen Merkmalen sind in Form von elektromagnetischen Relais oder Schaltschützen mit zwei getrennten Triebspulen bekannt. Die Triebspulen sind dabei gewöhnlich auf einen Eisenkern gewickelt und der Anker besteht ebenfalls aus einem ferromagnetischen Bauteil.Switches with these characteristics are in the form of electromagnetic Relays or contactors with two separate drive coils are known. The drive coils are common wound on an iron core and the armature also consists of a ferromagnetic component.

Bei manchen Anwendungen, wie plasmaphysikalischen Experimenten und Fusionsapparaturen sollen oder können jedoch keine Bauteile mit ferromagnetischen Teilen verwendet werden, da durch solche Teile unerwünschte Kräfte oder Feldverzerrungen, die die Untersuchungen stören, verursacht werden.In some applications, such as plasma physics experiments and fusion apparatus, however, they should or can no components with ferromagnetic parts are used, because such parts cause undesirable forces or field distortions that interfere with the examinations will.

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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetisch betätigbaren Schalter anzugeben, der keine ferromagnetischen Teile enthält. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.The present invention is therefore primarily based on the object of providing an electromagnetically actuatable Specify a switch that does not contain any ferromagnetic parts. This object is achieved by the in claim 1 characterized invention solved.

Der vorliegende Schalter hat ausserdem Vorteil, daß keine ferromagnetischen Teile benötigt werden, noch eine Reihe anderer Vorzüge. Er lässt sich insbesondere sehr leicht als Kryoschalter, also zum Verbinden oder Unterbrechen supraleitender Leitungen ausbilden, sein Betriebszustand kann durch einen einzigen Impuls umgeschaltet werden und es lässt sich mit sehr einfachen Mitteln erreichen, daß eine unbeabsichtigte Änderung des Betriebszustandes mit grosser Sicherheit vermieden wird.The present switch also has the advantage that none ferromagnetic parts are required, as well as a number of other benefits. In particular, it can be easily converted into a Cryoswitches, that is to say for connecting or interrupting superconducting lines, can be in its operating state can be switched by a single pulse and it can be achieved with very simple means that an unintentional Change of the operating state is avoided with great certainty.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den ünteransprüchen gekennzeichnet. Die Weiterbildung gemäss Anspruch 2 ist sehr betriebssicher und wirtschaftlich (sowohl hinsichtlich der Konstruktion als auch der Steuerleistung). Die Weiterbildungen gemäss den Ansprüchen 3 und 4 zeichnen sich durch eine besonders hohe Sicherheit gegen unbeabsichtigte Änderungen des Betriebszustandes bei gleichzeitig einfachem und betriebssicherem Aufbau aus.Refinements and developments of the invention are characterized in the subclaims. The further training according to Claim 2 is very reliable and economical (both in terms of construction and control performance). The developments according to claims 3 and 4 are characterized by a particularly high level of security against unintentional Changes in the operating status with simultaneous simple and a reliable structure.

Durch die Weiterbildung gemäss Anspruch 5 wird ein Kryoschalter mit besonders sicherer Kontaktgabe und niedriger Widerstand im geschlossenen Zustand geschaffen.The development according to claim 5 makes a cryoswitch with particularly reliable contact and lower Resistance created when closed.

In der Zeichnung ist ein Schalter gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, es zeigen: In the drawing, a switch according to an embodiment of the invention is shown;

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Fig.l einen Äxialschnitt des Schalters; Fig.2 einen in Pfeilrichtung gesehenen Schnitt längs einer Linie 2-2 in Figur 1; undFig.l shows an axial section of the switch; FIG. 2 shows a section along a line 2-2 in FIG. 1, seen in the direction of the arrow; and

Fig. 3 eine vom ruhenden Kontaktstück aus gesehene Draufsicht auf das bewegliche Kontaktstück des Schalters.3 shows a plan view of the movable contact piece of the switch, seen from the stationary contact piece.

Der dargestellte Schalter enthält als wesentlichste Bestandteile zwei im Abstand voneinander angeordnete koaxiale Spulen 10 und einen zwischen diesen Spulen angeordneten beweglichen Anker 12, der ein ringscheibenförmiges Teil aus einem elektrisch gut leitendem, nicht ferroraagnetischen Werkstoff, wie z.B. Kupfer, und eine hülsenförmige Nabe zur Befestigung auf einer Betätigungsstange 14 hat. Der Anker 12 kann z.B. durch einen Splint 16 an der Betätigungsstange 14 angebracht sein. Die Spulen 10 sind in einem Gehäuse 18 befestigt, das auch Lager für die Betätigungsstange 14 enthält, die in Richtung ihrer Achse 20, welche mit der Achse der Spulen 10 zusammenfällt, verschiebbar ist. Das Gehäuse trägt ein Anschlußstück 22 mit Klemmen 24 für jede der beiden Spulen 10.The main components of the switch shown contain two coaxial coils arranged at a distance from one another 10 and arranged between these coils movable armature 12, which is an annular disk-shaped part from a Electrically good conductive, non-ferromagnetic material, such as copper, and a sleeve-shaped hub for fastening has on an operating rod 14. The armature 12 can be attached to the actuating rod 14 by a split pin 16, for example be. The coils 10 are mounted in a housing 18 which also contains bearings for the actuating rod 14, which in FIG The direction of its axis 20, which coincides with the axis of the coils 10, is displaceable. The housing carries a connector 22 with terminals 24 for each of the two coils 10.

Der mit der Betätigungsstange 14 verbundene Anker 12 ist durch eine Kippfederanordnung so vorgespannt, daß er jeweils in Richtung auf die ihm am nächsten benachbarte Spule 10 gedrückt wird. Diese Kippfederanordnung besteht aus einer Anzahl von annähernd axial verlaufenden Blattfedern 26, die am hinteren Ende des Gehäuses durch Schrauben 28 befestigt sind. Am vorderen freien Ende sind die Blattfedern jeweils mit dem äusseren Ende eines schwenkbaren Kipphebels verbunden, dessen inneres Ende in eine Nut 32 eines mit der Betätigungsstange 14 verbundenen oder an diese angeformten Bundes 34 eingreift.The armature 12 connected to the actuating rod 14 is biased by a toggle spring arrangement so that it respectively is pressed in the direction of the coil 10 closest to it. This toggle spring arrangement consists of one Number of approximately axially extending leaf springs 26 which are fastened to the rear end of the housing by screws 28 are. At the front free end, the leaf springs are each with the outer end of a pivotable rocker arm connected, the inner end in a groove 32 of a connected to the actuating rod 14 or formed on this Federal 34 intervenes.

Das in Figur 1 linke Ende der Betätigungsstange drückt in der in Figur 1 dargestellten geschlossenen Stellung desThe left end of the actuating rod in Figure 1 pushes in the closed position of the shown in Figure 1

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Schalters ein bewegliches Kontaktstück 36, das anhand von Figur 3 noch genauer erläutert werden wird, gegen ein festes Kontaktstück 38.Switch a movable contact piece 36, which will be explained in more detail with reference to Figure 3, against a fixed one Contact piece 38.

Wie Figur 3 zeigt, enthält das bewegliche Kontaktstück 36 einen streifenförmigen Leiter 40 aus Supraleiterinaterial, der mit einer Blattfeder 42 verbunden ist. Das eine Ende der Blattfeder 40 und des Leiterstreifens 42 sind fest eingespannt, was durch Schraubenlöcher 44 angedeutet ist, während sich das andere , freie Ende zu einer Spitze oder trapezartig verjüngt. Der Verlauf des das feststehende Kontaktstück 38 bildenden Leiters und die Betätigungsstange 14 (die an der dem Betrachter abgewandten Seite angreift) sind gestrichelt dargestellt.As FIG. 3 shows, the movable contact piece 36 contains a strip-shaped conductor 40 made of superconductor material, which is connected to a leaf spring 42. One end of the leaf spring 40 and the conductor strip 42 are firmly clamped, what is indicated by screw holes 44, while the other, free end to a point or tapered trapezoidally. The course of the conductor forming the stationary contact piece 38 and the actuating rod 14 (which engages on the side facing away from the viewer) are shown in dashed lines.

Der beschriebene Schalter arbeitet folgendermassen:The switch described works as follows:

Wenn sich der Schalter in der in Figur 1 dargestellten geschlossenen Lage befindet und man einen Stromimpuls ausreichender Stärke durch die in Figur 1 linke Spule 10 leitet, werden im Anker 12 Wirbelströme induziert, deren Magnetfeld dem induzierenden Magnetfeld entgegengesetzt ist, so daß der Anker von der Spule abgestoßen und nach rechts bewegt wird. Er kann dabei die Kraft der Federanordnung 26 überwinden und die Betätigungsstange 14 springt nach rechts und gibt das bewegliche Kontaktstück 36 frei, das sich unter der Wirkung der Federkraft der Blattfeder 42 vom feststehenden Kontaktstück 38 abhebt und dann die in Figur 1 gestrichelt dargestellte geöffnete Lage einnimmt. Der Schalter wird durch die Federanordnung sicher in der geöffneten Lage gehalten.When the switch is closed in the position shown in FIG And a current pulse of sufficient strength is passed through the coil 10 on the left in FIG. 1, eddy currents are induced in the armature 12, the magnetic field of which is opposite to the inducing magnetic field, so that the armature is repelled from the coil and moved to the right. He can overcome the force of the spring arrangement 26 and the operating rod 14 jumps to the right and releases the movable contact piece 36, which is under the action the spring force of the leaf spring 42 lifts off the stationary contact piece 38 and then that shown in dashed lines in FIG is in an open position. The switch is held securely in the open position by the spring arrangement.

Soll der Schalter wieder geschlossen werden, so wird nun der in Figur 1 rechten Spule 10 ein Stromimpuls ausreichender Amplitude zugeführt. Der Anker wird nun von der rechten .If the switch is to be closed again, a current pulse is now sufficient for the coil 10 on the right in FIG Amplitude supplied. The anchor is now from the right.

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Spule abgestoßen und springt mit der Betätigungsstange nach links in die in Figur 1 dargestellte Lage, in der er durch die Federanordnung 26 gehalten wird. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Anker nicht an der linken Spule anliegt und die Federanordnung den für eine einwandfreie Kontaktgabe erforderlichen Kontaktdruck aufrechterhalten kann.The coil is repelled and the actuating rod jumps to the left into the position shown in FIG. 1, in which it passes through the spring assembly 26 is held. The arrangement is such that the armature is not on the left coil and the spring arrangement maintains the contact pressure required for proper contact can.

Da sich das bewegliche Kontaktstück 36 am freien Ende, an dem auch die Betätigungsstange 14 angreift, verjüngt (siehe Figur 3),ist eine sehr gute, sichere und großflächige Kontaktgabe gewährleistet. Wie aus Figur 1 und 3 ersichtlich ist, greift die Betätigungsstange 14 in einem gewissen Abstand von der Spitze des Leiterstreifens 40 und der Feder 42 an letzterer an.Since the movable contact piece 36 tapers at the free end on which the actuating rod 14 also engages (see Figure 3), is a very good, safe and extensive contact guaranteed. As can be seen from FIGS. 1 and 3, the actuating rod 14 engages at a certain distance from the tip of the conductor strip 40 and the spring 42 to the latter.

Bei einer praktischen Ausfuhrungsform des dargestellten Schalters enthielten die Spulen 10 jeweils 30 Windungen aus eloxiertem Aluminiumband. Zur Schalterbetätigung ist ein elektrischer Impuls von ca. 120 Ws erforderlich, der durch die Entladung eines Kondensators erzeugt werden kann. Die Eigenfrequenz des relativ stark gedämpften Entladungskreises kann z.B. einige kHz betragen. Die Feder 42 bestand aus 0,5 mm dickem Messingblech, ihre Länge betrug 50 mm und ihre Breite am befestigten Ende betrug 8 mm. Der mit der Feder verlötete Leiterstreifen und das Kontaktstück 38 waren 5 mm breit und bestanden aus Nb3Sn. Die maximale Kraft, die von der Federanordnung mit den Federn 26 über die Betätigungsstange auf das bewegliche Kontaktstück 36 ausgeübt wird, betrug ca. 4 kp. Die Kontaktflächen der Kontaktstücke können eine sehr dünne Schicht aus (duktilerem) normalleitendem Metall (insbesondere Zinn und Kupfer) tragen. Bei einer Kontaktschließkraft von 4 kp wurde für den dargestellten Kontaktsatz bei der Temperatur des flüssigen Heliums ein Kontaktwiderstand von ca. 4,10 Ω gemessen.In a practical embodiment of the switch shown, the coils 10 each contained 30 turns made of anodized aluminum tape. To operate the switch, an electrical pulse of approx. 120 Ws is required, which can be generated by discharging a capacitor. The natural frequency of the relatively strongly damped discharge circuit can be a few kHz, for example. The spring 42 was made of 0.5 mm thick sheet brass, its length was 50 mm and its width at the fixed end was 8 mm. The conductor strip soldered to the spring and the contact piece 38 were 5 mm wide and consisted of Nb 3 Sn. The maximum force exerted by the spring arrangement with the springs 26 via the actuating rod on the movable contact piece 36 was approximately 4 kp. The contact surfaces of the contact pieces can have a very thin layer of (more ductile) normally conductive metal (especially tin and copper). With a contact closing force of 4 kp, a contact resistance of approx. 4.10 Ω was measured for the contact set shown at the temperature of liquid helium.

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Die Kontaktstücke zeigten nach 1,3 . 10 Schaltungen noch keinerlei Beschädigungen.The contact pieces showed after 1.3. 10 circuits left no damage whatsoever.

Der Erfindungsgedanke lässt sich selbstverständlich auch auf andere Weise realisieren. So kann z.B. der nicht ferromagnetische Anker eine andere Form als bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel haben und andersartig, z.B. schwenkbar, gelagert sein. Auch für die Kopplung des Ankers mit dem oder den beweglichen Kontaktstücken können andersartige Betätigungsglieder, z.B. eine Hebelanordnung oder ganz allgemein irgendein geeignetes Getriebe verwendet werden. Auch die Federanordnung, die die beiden Ruhelagen des Ankers bestimmt, kann anders gestaltet sein. Das Betätigungsglied kann z.B. auch ein isolierendes, messerartiges Gebilde sein, das zwischen zwei durch Federkraft gegeneinander gedrückte Kontaktstücke einführbar ist , um diese zu trennen.The idea of the invention can of course also be implemented in other ways. For example, the non-ferromagnetic armature can have a different shape than the one described Have exemplary embodiment and be mounted in a different way, e.g. pivotable. Also for coupling the anchor with the or other types of actuating members, e.g. Even the spring arrangement, which determines the two rest positions of the armature, can be designed differently. The actuator can e.g. also be an insulating, knife-like structure that is pressed against each other by spring force between two Contact pieces can be inserted in order to separate them.

Der vorliegende Schalter kann als Vakuumschalter bei der Temperatur des flüssigen Heliums eingesetzt werden. Hierzu wird der Schalter vorzugsweise in ein geschlossenes Metallgehäuse eingebaut, das sich im Betrieb im flüssigen Helium befinden kann. Die supraleitenden Zuleitungen 36 und 38 zu den Kontakten sowie die Zuleitungen zu den Spulen io verlaufen durch vakuumdichte Isolierdurchführungen. In der vom Gehäuse gebildeten Schaltkammer kann ein sehr gutes Vakuum auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß das Gehäuse bei Zimmertemperatur mit einem bei der lleliumtemperatur kondensierten Gas, z.B. CO.,, gefüllt wird. Das Gas friert dann im Betrieb bei der lleliumtemperatur aus und in Geh'iuse entsteht ein hohes Vakuum.The present switch can be used as a vacuum switch at the temperature of liquid helium. For this purpose, the switch is preferably installed in a closed metal housing that can be in liquid helium during operation. The superconducting leads 36 and 38 to the contacts and the leads to the coils io run through vacuum-tight insulating bushings. In the switching chamber formed by the housing, a very good vacuum can be achieved in a simple manner in that the housing is filled at room temperature with a gas, for example CO 2, which has condensed at the ilium temperature. The gas then freezes out during operation at the ilium temperature and a high vacuum is created in the housing.

Der betrieb des Schalters im Vakuum unt .lon Vorteil/ daO Mo rJntionisieruiujsziiiten rtca Funkon π Iu* Ln öffnen Jos Schalter;; unter La;;t nolir klein sind.The operation of the switch in a vacuum and .lon advantage / daO Mo rJntionisieruiujsziiiten rtca Funkon π Iu * Ln open Jos switch ;; under la ;; t nolir are small.

IAD ORlQINALIAD ORlQINAL

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Claims (6)

PatentansprücheClaims 1.1/ Elektromagnetisch betätigbarer Schalter, insbesondere Kryoschalter, mit zwei getrennt erregbaren Spulen, einem durch das Magnetfeld der Spulen betätigbaren, beweglichen Anker und mindestens einem durch den Anker über ein Betätigungsglied gesteuerten Kontaktstückpaar, dadurch gekennzeichnet , daß der Anker (12) aus einem bei Betriebstemperatur elektrisch gut leitenden unmagnetischen Material besteht und zwischen den beiden kernlosen, vorzugsweise als Zylinderspulen ausgebildeten, im Abstand voneinander koaxial angeordneten Spulen (10) im wesentlichen in Richtung der Spulenachse (20) beweglich gelagert ist.1.1 / Electromagnetically operated switch, in particular Cryoswitch, with two separately excitable coils, one movable one that can be actuated by the magnetic field of the coils Armature and at least one contact piece pair controlled by the armature via an actuating member, thereby characterized in that the armature (12) consists of a non-magnetic, which conducts electricity well at operating temperature There is material and between the two coreless, preferably designed as cylinder coils, at a distance coaxially arranged coils (10) from one another is mounted so as to be movable essentially in the direction of the coil axis (20). 2.) Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h η et , daß der Anker ein scheibenförmiges Teil hat und auf einer in Richtung der Spulenachse (20) verlaufenden und verschiebbaren Kontaktbetätigungsstange (14) befestigt ist.2.) Switch according to claim 1, characterized e i c h η et that the armature has a disk-shaped part and on one in the direction of the coil axis (20) and sliding contact actuation rod (14) is attached. 3.) Schalter nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß der Anker durch eine Federanordnung (26) in Richtung auf die jeweils nähere der beiden Spulen vorgespannt ist.3.) Switch according to claim 1 or 2, characterized that the armature by a spring arrangement (26) in the direction of the closer of the two Coils is biased. 4.) Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Federanordnung mindestens eine Feder (26), vorzugsweise mindestens zwei bezüglich der Spulenachse (20) einander diametral gegenüberliegende Federn insbesondere Blattfedern, enthält, die jeweils eine radial nach innen gerichtete Kraft auf eine im wesentlichen radial verlaufenden Kipphebel (30) ausübt, dessen inneres Ende schwenkbar und bezüglich der Betätigungsstange axial unverschiebbar an dieser gelagert ist.4.) Switch according to claim 3, characterized that the spring arrangement has at least one spring (26), preferably at least two with respect to the coil axis (20) contains diametrically opposed springs, in particular leaf springs, each one radially inwardly directed force exerts on a substantially radially extending rocker arm (30), the inner end of which is pivotally mounted and axially immovable on this with respect to the actuating rod. 209837/Ü38B209837 / Ü38B 5.) Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Kontaktstück (36) einen Streifen (40) aus Supraleitermaterial enthält, der am einen Ende befestigt ist, sich am anderen, freien Ende der Breite nach verjüngt , und mit einer Blattfeder verbunden ist, deren Ränder sich im wesentlichen mit den Rändern des sich verjüngenden Teils des Streifens decken; daß das andere Kontaktstück (38) eine dem sich verjüngenden Ende des Streifens gegenüberliegende Kontaktfläche aus Supraleitermaterial enthält und daß das Betätigungsglied (14) im Bereich des sich verjüngenden Teils des Streifens (40) des ersten Kontaktstücks an der Blattfeder (42) angreift.5.) Switch according to one of the preceding claims, characterized in that the one contact piece (36) is a strip (40) of superconductor material contains, which is attached at one end, tapers at the other, free end widthwise, and with a leaf spring is connected, the edges of which are substantially coincident with the edges of the tapered part of the strip; that the other contact piece (38) has a contact surface opposite the tapered end of the strip Contains superconductor material and that the actuating member (14) in the region of the tapered part of the strip (40) of the first contact piece engages the leaf spring (42). 6.) Schalter nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß die Blattfeder (42) am befestigten Ende des Streifens (40) breiter ist als der Streifen.6.) Switch according to claim 5, characterized in that the leaf spring (42) at the attached end of the strip (40) is wider than the strip. 209837/U38U209837 / U38U
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