DE2356515C2 - Elektrodynamische Schaltvorrichtung wie Relais, Schütz od.dgl. - Google Patents
Elektrodynamische Schaltvorrichtung wie Relais, Schütz od.dgl.Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
- H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
- H01H3/222—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electrodynamic repulsion
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- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H53/00—Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them
- H01H53/02—Electrodynamic relays, i.e. relays in which the interaction is between two current-carrying conductors
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Eine derartige elektrodynamische Schaltvorrichtung ist aus der DE-AS 10 81 148 bekannt. Zwei gleichachsig
zueinander angeordnete Flachspulen stehen sich mit geringem Abstand gegenüber, wobei die Flachspulen in
Form einer gedruckten Schaltung auf einem Isolierstoffträger aufgebracht sind. Mindestens, ein Isolierstoffträger
ist membranartig ausgeführt und im Zentrum der Flachspule so beweglich, daß ein im Zentrum angebrachter
Kontakt eines Leistungskreises um einen geringen Weg axial bewegt und in Anlage an einen
gegenüberliegenden Kontakt gebracht werden kann. Die axiale Bewegung wird dadurch erreicht, daß beide
Spulen von einem Erregerstrom durchflossen sind, der eine gemeinsame Achse der Flachspulen gleichsinnig
umfließt. Aufgrund des sich aufbauenden magnetischen Feldes ziehen sich die Flachspulen gegenseitig an, wobei
sich der membranartige Isolierstoffträger ausbeult und die Kontakte schließt. Bei Abschalten des Erregerstromes
wird sich der membi-anartige Isoliersloffträger in
seine Ausgangsstellung zurückstellen, wobei die Kontakte wieder geöffnet werden.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß durch den Aufbau als gedruckte Schaltung nur geringe Erregerströme
möglich sind (im Amperebereich), so daß die Anziehungskraft zwischen den Spulen entsprechend
gering ist. Die Schub- bzw. Anziehungskraft liegt im Bereich von cN, wodurch sich ein geringer Kontaktdruck
ergibt, der durch die Rückstellkraft der Membran weiter gemindert wird. Bedingt durch die geringe
Anziehungskraft sind nur kleine Kontaktwege mit einer derartigen Anordnung zu erzielen, so daß die Kontakte
im Ruhezustand in geringem Abstand voneinander liegen. Insbesondere bei hohen Schaltleistungen können
sich daher Lichtbogen bilden, die die Kontakte schädigen und die Anordnung unbrauchbar machen. Die
Anwendung derartiger Schaltvorrichtungen ist daher auf den Niederleistungsbereich begrenzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrodynamische Schaltvorrichtung anzugeben, die bei hoher Schaltkraft
und kurzen Schaltzeitcn auch für große Schaltspannungen und große Schallleistungen verwendet werden
kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1
gelöst. Durch die Verwendung von Luftspulen sind hohe Erregerströme möglich, so daß ein starkes Magnetfeld
aufgebaut werden kann. Durch die axial bewegliche
Spule wird eine großer Schalthub erreicht, so daß die
Kontakte in Ruhestellung einen großen Abstand voneinander aufweisen können und bei hohen Schaltspannungen
eine Lichtbogenbildung weitgehend ausgeschlossen ist Durch das starke Magnetfeld wird eine
hohe Schaltkraft erreicht, so daß sehr kurze Schaltzeiten auftreten. Daher wird auch bei Schaltvorgängen
unter großer Last ein die Kontakte schädigendes Funkenfeuer weitgehend vermieden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben.
Zwei ortsfest angeordnete Antriebsspulen 3,13 eines Antriebssystems sind als scheibenförmige Luftspulen
ausgebildet und zum Anschluß an eine niederohmige Gleichstromquelle 4 bestimmt Sie vermögen wegen
ihrer geringen Induktivität einen hohen Strom aufzunehmen, sobald ein schnell wirkendes Schaltelement 21,
22, welches vorteilhaft aus Thyristoren gebildet sein kann, in seinen stromleitenden Zustand gebrüht wird.
Dann kann in den Antriebsspulen 3,13 ein sehr rasch auf hohe Werte ansteigender Strom fließen, der ein sehr
starkes magnetisches Feld erzeugt, welches bereits nach etwa 20 Mikrosekunden seine volle Stärke erreicht Das
magnetische Feld wirkt auf eine zweite, als Anker wirkende, ebenfalls scheibenförmig ausgebildete Luftspule
1, welche starr mit einer gegenüber den Antriebsspulen axial beweglichen Achse 2 verbunden
ist, die in zwei Achslagern 6 und 7 längsverschiebbar geführt ist.
Der Schaltkontaktsatz besteht aus zwei feststehenden Schaltkontakten 8 und 9 und einer am Ende der Achse 2 «
sitzenden Kontaktbrücke 10. Weitere zwei feststehende Schaltkontakte 18, 19 sind im axialen Abstand parallel
zu den Schaltkontakten 8 und 9 angeordnet
In der dargestellten ersten Schaltstellung, bei welcher
die Schaltkontakte 8 und 9 miteinander über die Schaltbrücke JO verbunden sind, steht die bewegliche
Luftspule 1 der feststehenden, ebenfalls als Luftspule ausgebildeten Antriebsspule 3 mit kleinem axialem
Luftspalt gegenüber. Gegenüber der anderen, von der Antriebsspule 3 abgekehrten Stirnseite der beweglichen
Luftspule 1 ist in einem durch die Nutzwegstrecke und den axialen Abstand des zweiten Schaltkontaktpaares
18 und 19 vom ersten Schaltkontaktpaar 8 und 9 festgelegten Abstand die zweite Antriebsspule 13
vorgesehen, die an einem ihrer Wicklungsenden über eine Leitung 14 mit d<;r ersten Antriebsspule 3
verbunden und mit ihrem anderen Wicklungsende an eine niederohmige Stromquelle 4 angeschlossen ist
Damit die Luftspule 1 sich in Richtung des Pfeiles A bewegt, muß in ihr ein Magnetfeld erzeugt werden, das
entgegengesetzt zu dem von der Antriebsspule 3 ausgehenden Magnetfeld gerichtet ist. Hierzu muß der
Strom in der Luftspule 1 die gemeinsame Achse entgegengesetzt zu demjenigen Drehsinn umschließen,
den ein gleicher Strom in der Antriebsspule 3 hat. Hierzu sind die Wicklungsenden der beweglichen
Luftspule 1 an zwei zu einem Umschalter gehörende Schaltarme 21 und 22 angeschlossen, welche beispielsweise
mit der mit unterbrochenen Linien angedeuteten Schaltstellung den die Stromquelle 4 verlassenden 6">
Strom /zunächst die Luftspule 1 über den Schaltarm 22 erreichen lassen und von dort aus über den Schaltarm 21
der AntriebssDule 3 „'jführen. Durch die dann
entstehende abstoßende Wirkung der beiden von den Spulen 1 und 3 ausgehenden Magnetfelder wird die
Luftspule 1 samt der Achse 2 nach links bewegt Infolge des raschen Aufbaus der magnetischen Felder in den
Luftspulen 1 und 3 ergibt sich eine hohe Schaltgeschwindigkeit Die Achse 2 betätigt vorteilhafterweise bei ihrer
Bewegung ein bistabiles, mechanisches Kraftspeicherelement Dieses ist so ausgebildet, daß die Luftspule 1
gegen die Rückstellkraft zweier vorgespannter Druckfedern 23 und 24 arbeiten muß, welche den bistabilen
Federspeicher bilden. Wenn dabei die labile Mittelstellung der beiden Druckfedern 23 und 24 überwunden ist
schnappt die Achse samt der Schaltbrücke in ihre zweite Schaltstsllung, bei welcher die Schaltbrücke die beiden
Schaltkontakte 18 und 19 miteinander verbindet und die bewegliche Luftspule 1 der zweiten Antriebsspule 13
mit geringem Abstand stirnseitig gegenübersteht
Durch das bistabile Kraftspeicherclement wird die bewegliche Luftspule jeweils in einer von zwei stabilen
Endlagen gehalten bzw. dorthin zurückgeführt Damit in der unmittelbaren Nachbarschaft zur -;/eiten Antriebsspuie
13 eine gegenseitige .Anziehung .'.wischen der
Luftspule 1 und der Antriebsspule 13 erfolgt durchfließt der Strom /die zweite Antriebsspule 13 mit einem auf
die gemeinsame Achse bezogenen, entgegengesetzten Drehsinn zu demjenigen in der ersten Antriebsspule 3.
Sobald die beiden Schaltarme 21 und 22 in ihre dargestellte Mittelstellung zurückgebracht werden, wird
der Strom /unterbrochen und die Schaltbrücke 10 bleibt dann in ihrer zweiten, die Kontakte 18 und 19
verbindenden Schaltstellung. Die für die Kontaktgabe erforderlichen Schaltkontakte können jeweils auf einer
axialen Stirnseite einer feststehenden Luftspule angeordnet sein. Die achsgleiche Anordnung der beiden zu
einem Antriebssystem gehörenden Luftspulen macht es ohne konstruktive Schwierigkeiten möglich, daß auf
jeder der beiden axialen Stirnseiten des Antriebssystems jeweils ein Satz von Schaltkontakten angeordnet
werden kann. Hierbei kann die räumliche Lage der Schaltkontakte im Wirkungsbereich des elektrischen
Feldes der feststehenden Luftspule derart erfolgem, daß das ':eim Einschalten des Spulenstroms entstehende
Magnetfeld eine magnetische Blasung eines eventuell entstehenden Schaltlichtbogens bewirk*.
Um die Schaltvorrichtung in die Ausgangsstellung in Richtung des Pfeiles B zurUckzubewtgen, braucht
lediglich der Umschalter in die zweite Schließstellung gebracht zu werden, in welcher die beiden Schaltarme
21 und 22 die punktierte Stellung einnehmen, in welcher der von der Stromquelle 4 ausgehende Strom zunächst
über den Schaltarm 21 zur Luftspule 1 geführt wird, diese jedoch dann in einem zur vorherbeschirebenen
Weise entgegengesetzten Drehsinn durchfließt, bevor er über den Schalter 22 in gleicher Richtung wie vorher
die beiden Antriebsspulen 3 und 13 durchfließt. Infolge des umgekehrten Drehsinns des Strome«- / in der
Luftspule 1 wird diese von dem durch die Antriebsspule 13 erzeugten Magnetfeld nach rechts abgestoßen und
erreicht nach Überwindung der indifferenten Mittellage der beiden Druckfedern 23 und 24 die dargestellte
Ausgangsstellung, in welcher die Luftspule 1 von der Antriebsspule 3 angezogen wird, solange sich die
Schaltarme 21 und 22 in der vorher beschriebenen punktierten Schaltstellung befinden.
Auch wenn die Schaltarme 21 und 22 in ihre neutrale Mittelsteliurg zurücl gebracht werden und dann der.
Strom /unterbrechen, bleibt die dargestellte Schaltstellung erhalten, bei welcher die Schaltbrücke 10 die
beiden Schaltkontakte 8 und 9 miteinander leitend verbindet. Der besondere Vorteil der beschriebenen
Schalteinrichtung besteht darin, daß die Schaltvorrichtung außerordentlich kurze Schaltzeiten aufweist und
daß sie nur dann elektrische Energie verbraucht, wenn sie aus einer ihrer beiden Schaltstellungen in die andere
Schaltstellung gebracht wird, hingegen stromlos bleiben kann, solange sie die einmal erreichte Schaltstellung
(Endstellung) beibehalten kann.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die bewegliche Luftspule sowohl in Parallelschaltung zu
einer feststehenden Luftspule als auch in Reihe mit einer feststehenden Luftspule betrieben werden. Wenn die
Luftspulen hinsichtlich des sie durchfließenden elektrischen Stromes in Reihenschaltung betrieben werden, ist
es besonders vorteilhaft, wenn die Luftspulen gleiche geometrische Abmessungen und Windungszahlen aufweisen.
Indem die als Anker dienende zweite Luftspule
aiii cincF ÄCiiäc iiiZi, die Zcfmä! uüfch cmc räümfcSi
angeordnete Luftspule hindurchgeführt ist, ist eine einfache Befestigung von Schaltkontakten möglich.
Die beim Einschalten des Stromes entstehende Abstoßung zwischen der beweglichen Luftspule und der
ihr unmittelbar benachbarten feststehenden Luftspule ist besonders groß. Es kann demgemäß eine sehr hohe
Öffnungsgeschwindigkeit für die Schaltkontakte erzielt werden, wenn diese sich bei stromlosem Zustand der
Luftspulen in ihrem Schließzustand befinden.
Diese bistabile Schaltvorrichtung kann, da sie jeweils nur zur Umschaltung von ihrer einen in die andere
bistabile Stellung mit Strom versorgt /u werden braucht, auch mit einem Impulsstrom betrieben werden.
Zur Erhöhung der elektrodynamischen Wirkung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gegenüber der
von der beweglichen Luftspule abgekehrten Stirnseite der feststehenden Luftspule ein zu dieser wenigstens
annähernd gleichachsiges. scheibenförmiges Kraftlinienleitstück angeordnet sein. Vorteilhafterweise wird
zur Unterdrückung oder wenigstens zur Verringerung von Wirbelströmen im Kraftlinienleitstück wenigstens
eine radial verlaufende, vorzugsweise bis zum Rand des Leitstücks sich erstreckende, schlitzartige Unterbrechung
vorgesehen. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist gegeben, indem für das bzw. die scheibenartig
flir
wendet wird, der eine hohe magnetische, aber eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ferner kann es
zweckmäßig sein, wenn das scheibenartig ausgebildete Kraftlinienleitstück aus einzelnen zueinander koaxialen
Scheiben zusammengesetzt ist, welche miteinander mechanisch verbunden, elektrisch jedoch gegeneinander
isoliert sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Elektrodynamische Schaltvorrichtung wie Relais, Schütz od. dgl., mit im Abstand voneinander
angeordneten, zueinander glejchachsigen, scheibenformigen Spulen, von denen mindestens eine Spule
relativ zur anderen Spule beweglich ist und beide Spulen von einer Stromquelle gespeist cind, wobei
die bewegliche Spule mit mindestens einem Schaltkontakt in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulen Luftspulen (1, 3, 13) sind, daß die bewegliche Luftspule (1) auf einer in
Achslagern (6,7) axial beweglich geführten Achse (2) befestigt ist, die mindestens einen Schaltkontakt (10)
trägt, und die andere Luftspule (3) feststeht und im Abstand zu ihr eine weitere, feststehende Luftspule
(13) angeordnet ist, wobei die feststehenden Luftspulen (3,13) elektrisch hintereinander geschaltet
sind und in bezug auf ihre gemeinsame Achse gegensinnig von einem Erregerstrom (I) durchflossen
sind, und daß die bewegliche Luftspule (1)
zwischen den feststehenden Luftspulen (3, 13) liegt und in ihren Endstellungen mit geringem Abstand
jeweils einer feststehenden Luftspule (3, 13) gegenübersteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspden (1, 3, 13) nur zur
Umschaltung der Schaltvorrichtung mit einer Stromquelle (4) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspulen (1, 3, 13) bei
gleichen ^eometrischen Abmessungen, insbesondere ihres innersten unc", äußei ien Windungsdurchmessers
sowie ihrer in Achsrichtung gemessenen Höhe wenigstens annähernd ül:-.reinstimmende Windungszahlen
aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspulen (1,3,13)
in bezug auf die Stromquelle (4) hintereinandergeschaltetsind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (2), auf der
die bewegliche Luftspule (1) als Anker angeoidnet ist, zumindest eine feststehende Luftspule (3, 13)
zentral durchdringt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein bistabiles,
mechanisches Kraftspeicherelement (23, 24), vorzugsweise eine Druckfeder, mit der die bewegliche
Luftspule (1) tragenden beweglichen Achse (2) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kontaktgabe
vorgesehenen Schaltkontakte (8,9,10,18,19) auf
einer axialen Stirnseite des Antriebssystems angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Satz von
Schaltkontakten (8, 9, 10 bzw. 18, 19) auf jeder der beiden Seiten des Antriebssystems angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der von der
beweglichen Luftspule (1) abgekehrten Stirnseite der feststehenden Luftspule ein zu dieser wenigstens
annähernd gleichachsiges, scheibenförmiges Kraftlinienleitstück angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenartig ausgebildete
Kraftlinienleitstück wenigstens eine radial verlaufende, vorzugsweise bis zum Rand sich erstreckende,
schlitzartige Unterbrechung enthält.
11, Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff des scheibenartig ausgebildeten Kraftlinienleitstückes eine hohe
magnetische, jedoch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit besitzt
IZ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenartig
ausgebildete Kraftlinienleitstück aus einzelnen dünneren Scheiben zusammengesetzt ist, welche miteinander
mechanisch verbunden, elektrisch jedoch gegeneinander isoliert sind.
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1973
- 1973-11-13 DE DE19732356515 patent/DE2356515C2/de not_active Expired
-
1974
- 1974-11-13 FR FR7437463A patent/FR2251092A1/fr not_active Withdrawn
Also Published As
Publication number | Publication date |
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