DE4305512A1 - Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter mit einer um eine ortsfeste Achse drehbar gelagerten, antreibbaren Kurvenscheibe, die bei einer Bewegung im Intervall zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung ein senkrecht zu der Achse bewegliches Übertragungselement antreibt, welches Teile des Leistungsschalters antreibt und mit einem seine Bewegung verzögernden Bremselement verbunden ist.

Ein derartiger Antrieb für einen Leistungsschalter ist bei­ spielsweise aus der DE-PS 25 17 134 bekannt. Bei dem be­ kannten Antrieb wird eine Achse, auf der eine Kurvenscheibe fixiert ist, durch eine Einschaltfeder angetrieben. Durch die Kurvenscheibe wird über einen Zapfen eine zweite Welle angetrieben, deren Drehbewegung über zwei Kurbeln auf eine Unterbrechereinheit eines Leistungsschalters übertragen wird. Gleichzeitig greift an der zweiten Welle eine Aus­ schaltfeder an, die der Bewegung der Kurvenscheibe beim Einschaltvorgang entgegenwirkt, dadurch die Bewegung der Kurvenscheibe verzögert und selbst gespannt wird.

Bei dem bekannten Antrieb muß die Energie der Einschaltfe­ der und damit die von der Kurvenscheibe übertragene Energie zum Ausgleich von Temperaturschwankungen und mechanischen Toleranzen überschußbehaftet sein. Der Überschuß der auf die Unterbrechereinheit wirkenden Energie muß dann entweder in den die Antriebskraft übertragenden Teilen oder in einem zusätzlichen Stoßdämpfer aufgefangen werden. Es kann norma­ lerweise auch kein unbegrenzter Überhub der Antriebsteile im Einschaltfall zugelassen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen An­ trieb der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der Überhub sowie der Überschluß an dynamischer Energie der durch die Kurvenscheibe angetriebenen Teile möglichst ge­ ring gehalten wird, ohne daß überschüssige dynamische Ener­ gie durch Teile des Antriebs aufgenommen werden muß.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kurvenscheibe derart geformt ist, daß der Differentialquo­ tient aus dem von dem Übertragungselement zurückgelegten Weg und dem zurückgelegten Drehwinkel der Kurvenscheibe, betrachtet als Funktion des Drehwinkels der Kurvenscheibe, ein absolutes Maximum im Bereich zwischen der ersten Stel­ lung und der Mitte des Intervalls aufweist und in dem Be­ reich zwischen der Stelle des absoluten Maximums und der zweiten Stellung eine monoton fallende Funktion darstellt.

Die erste und die zweite Stellung der Kurvenscheibe begren­ zen das Intervall, in dem eine Bewegung der Kurvenscheibe eine Bewegung des Übertragungselementes zur Folge hat.

Der genannte Differentialquotient entspricht der Ableitung des Weges des Übertragungselementes nach dem Kurvenschei­ bendrehwinkel.

Das Ziel der Erfindung ist es, die Kurvenscheibe so auszu­ bilden, daß das Übertragungselement während des gesamten Vorganges der Übertragung von Energie durch die Kurven­ scheibe auf das Übertragungselement an der Kurvenscheibe anliegt.

Durch die "Steigung" der Kurvenscheibe wird das Übertra­ gungselement bei einer Bewegung der Kurvenscheibe im ersten Teil der Bewegung beschleunigt. In einem zweiten Teil der Bewegung wird zwar noch Kraft von der Kurvenscheibe auf das Übertragungselement übertragen, diese dient aber nicht zu einer weiteren Beschleunigung des Übertragungselementes, sondern sie wird für die mechanische Arbeit aufwendet, die das Übertragungselement an die übrigen Teile des Antriebs weitergibt. Zum ende des Antriebsvorganges wird dabei das Übertragungselement allmählich bis zum Stillstand abge­ bremst.

Soll in der zweiten Phase des Antriebsvorganges nach Errei­ chen der maximalen Geschwindigkeit das Übertragungselement ständig mit der Kurvenscheibe in Kontakt bleiben, so daß sich der Überhub durch die Gestaltung der Kurvenscheibe vollkommen kontrollieren läßt, so muß die Bedingung erfüllt sein, daß das Übertragungselement durch die von ihm ange­ triebenen Teile des Leistungsschalters und das Bremselement in dem Maß verzögerbar ist, wie es die durch die Kurven­ scheibe dem Übertragungselement eingeprägte Bewegung erfor­ dert. Wenn nämlich die "Steigung" der Kurvenscheibe in die­ ser Phase des Antriebsvorganges geringer wird, so würde die Geschwindigkeit des Übertragungselementes in dem Fall, daß keine bremsenden Kräfte wirken, konstant bleiben und das Übertragungselement würde sich von der Kurvenscheibe lösen. Eine Ablösung des Übertragungselementes von der Kurven­ scheibe findet auch dann statt, wenn die abbremsenden Kräf­ te auf das Übertragungselement nicht ausreichend groß sind, um dies entsprechend dem Verlauf der Kurvenscheibe ausrei­ chend abzubremsen.

Sind die abbremsenden Kräfte, die auf das Übertragungsele­ ment wirken, zu groß, so wirkt sich dies nicht in negativer Weise auf das Übertragungselement und die übrigen Teile des Leistungsschalters aus. Die bremsenden Kräfte sollten le­ diglich deshalb nicht zu groß sein, damit nicht der Antrieb der Kurvenscheibe aus diesem Grund vergrößert werden muß.

Diese Überlegungen führen dazu, daß die Kurvenscheibe so gestaltet wird, daß die Abbremsung des Übertragungselemen­ tes möglichst früh eingeleitet wird, um die Bremsbeschleu­ nigung, die von dem Bremselement aufgebracht werden muß, möglichst gering zu halten. Dennoch muß das Übertragungs­ element in möglichst kurzer Zeit eine möglichst große Ge­ samtstrecke zurücklegen, um den Schaltvorgang des Lei­ stungsschalters möglichst schnell zu vollenden.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß das Übertragungs­ element seine höchste Geschwindigkeit möglichst schnell er­ reicht, um dann über einen zeitlich und örtlich möglichst langen Bereich bis zum Stillstand abgebremst werden zu kön­ nen. Es ist gemäß der Erfindung kein besonders stark verzö­ gerndes Bremselement notwendig, um den ständigen Kontakt zwischen dem Übertragungselement und der Kurvenscheibe zu gewährleisten. Hierdurch ist eine genaue Kontrolle der Be­ wegung des Übertragungselement es durch entsprechende Ge­ staltung der Kurvenscheibe möglich. Ein unnötiger Überhub kann damit vermieden werden. Dadurch kann auch die notwen­ dige Überschußenergie, die zum Ausgleich von Toleranzen notwendig ist, drastisch verringert werden.

Die Erfindung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß die monoton fallende Funktion konvex ist und daß das Bremselement so ausgebildet ist, daß die Bremskraft auf das Übertragungselement zwischen der Konstellation, der der Stellung der Kurvenscheibe beim absoluten Maximum ent­ spricht und der Konstellation, die der zweiten Stellung der Kurvenscheibe entspricht, stetig zunimmt.

Die konvexe Eigenschaft der monoton fallenden Funktion, welcher der Differentialquotient aus dem von dem Übertra­ gungselement zurückgelegten Weg und dem zurückgelegten Drehwinkel der Kurvenscheibe folgt, führt dazu, daß die Verzögerung des Übertragungselementes mit dem Fortschreiten des von diesem zurückgelegten Weges größer wird. Dement­ sprechend muß, wenn das Übertragungselement in Kontakt mit der Kurvenscheibe bleiben soll, die auf das Übertragungs­ element wirkende Bremskraft zunehmen. Da ein solches Brems­ element konstruktiv besonders einfach in Form eines elasti­ schen Elementes zu gestalten ist, bei dem die Gegenkraft in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg zunimmt, kann das Über­ tragungselement am schnellsten dadurch abgebremst werden, daß mit einer geringen Verzögerungskraft begonnen und diese nach der Charakteristik des Bremselementes gesteigert wird. Auf diese Weise kann das Übertragungselement auf der kür­ zest möglichen Strecke abgebremst werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Differentialquotient in der ersten Stellung der Kurvenscheibe gleich Null ist.

Hierdurch ist gewährleistet, daß zu Beginn der Berührung zwischen der Kurvenscheibe und dem Übertragungselement sich zwar die Kurvenscheibe bewegt, nicht aber das Übertragungs­ element. Erst wenn der Differentialquotient einen Wert un­ gleich Null annimmt, kann zwischen der Kurvenscheibe und dem Übertragungselement eine Bewegung übertragen werden. Es wird hierdurch ein Stoß auf das Übertragungselement zu Be­ ginn seiner Bewegung vermieden.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß der Diffe­ rentialquotient in der zweiten Stellung der Kurvenscheibe gleich Null ist.

Diese Ausgestaltung führt dazu, daß in der zweiten Stellung der Kurvenscheibe das Übertragungselement und die durch diese angetriebenen Teile des Leistungsschalters keine dy­ namische Energie aufweisen, so daß ein Überhub der ange­ triebenen Teile vermieden wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Bremselement als Feder ausgebildet ist.

Hierdurch wird das Bremselement konstruktiv besonders ein­ fach gestaltet und durch die Federcharakteristik kann je nach deren Gestaltung ein gewünschtes Profil für die Verzö­ gerung des Übertragungselementes in Abhängigkeit von dem durch dieses zurückgelegten Weg realisiert werden.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß das Brems­ element als Kraftspeicher für den Leistungsschalter ausge­ bildet ist.

Das Übertragungselement dient in diesem Falle dazu, die An­ triebskraft der Kurvenscheibe einerseits auf die zu betäti­ genden elektrischen Kontakte einer Unterbrechereinheit zu übertragen, und andererseits bei dieser Bewegung einen Kraftspeicher aufzuladen, der für eine entgegengesetzte Schaltbewegung der Unterbrechereinheit als Antrieb dient. Der Kraftspeicher kann beispielsweise als Federspeicher ausgebildet sein, wobei dann die Charakteristik der Feder das Profil der Verzögerung des Übertragungselementes be­ stimmt. Durch eine geeignete Kraftübersetzung zwischen dem das Bremselement bildenden Kraftspeicher und dem Übertra­ gungselement kann die Charakteristik des Kraftspeichers an das geforderte Verzögerungsprofil des Übertragungselementes geeignet angepaßt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch einen Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter,

Fig. 2 für zwei verschiedene Formen der Kurvenscheibe je­ weils die Auslenkung des Übertragungselementes in Abhängig­ keit vom Drehwinkel der Kurvenscheibe,

Fig. 3 die mathematischen Ableitungen (Differentialquotienten) der in Fig. 2 gezeigten Funktio­ nen als Graph in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurven­ scheibe,

Fig. 4 den Graph des Differentialquotienten in Abhängig­ keit vom Drehwinkel der Kurvenscheibe bei einer erfindungs­ gemäßen Gestaltung der Kurvenscheibe und zum Vergleich dazu bei einer konventionellen Kurvenscheibe,

Fig. 5 den Graphen des Differentialquotienten (f′) aus der Fig. 4 sowie die Ableitung (f′′) dieser Funktion nach dem Kurvenscheibendrehwinkel und den vom Übertragungselement insgesamt zurückgelegten Weg in Abhängigkeit vom Kurven­ scheibendrehwinkel.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Unterbrechereinheit mit ei­ nem antreibbaren Kontakt 2 und einer Ausschaltfeder 3, die als Kraftspeicher zum Antrieb des Kontaktes 2 bei einer Ausschaltbewegung dient.

Zum Einschalten wird eine Einschaltfeder 4 entspannt, deren eines Ende 5 ortsfest fixiert ist und deren anderes Ende 6 mittels einer Pleuelstange 7 mit einem Kurbelrad 8 verbun­ den ist. Das Kurbelrad 8 ist auf einer Achse 9 drehbar ge­ lagert und mit einer Kurvenscheibe 10 fest verbunden. Bei einer Verlängerung der Einschaltfeder 4 wird die Kurven­ scheibe im Uhrzeigersinn um die Achse 9 gedreht. Dabei wird das Übertragungselement 11 in Form einer an einem Lenker 12 schwenkbar befestigten Rolle angetrieben. An das Übertra­ gungselement 11 ist eine Schubstange 21 angelenkt, die an ihrem dem Übertragungselement abgewandten Ende 13 mit einer ortsfest gelagerten Kurbel 14 beweglich verbunden ist. Eine Schubbewegung auf die Schubstange 21 wird durch die Kurbel 14 in eine Schubbewegung der Schaltstange 15 in Richtung des Pfeiles 16 umgesetzt und hierdurch wird der Kontakt 2 betätigt, so daß die Unterbrechereinheit eine Einschaltbe­ wegung ausführt.

Die Bewegung der Übertragungselementes 11 bewegt außerdem eine Kompression der Ausschaltfeder 3. Die Ausschaltfeder 3 wirkt mithin der Bewegung des Übertragungselementes 11 bei einer Drehung der Kurvenscheibe 10 entgegen. Hierdurch wird das Übertragungselement 11 gegen die Kurvenscheibe 10 ge­ drückt.

Ziel der Erfindung ist es, zu bewirken, daß die durch die Ausschaltfeder 3 und eventuell eine zusätzliche Dämpfungs­ einrichtung 17 auf das Übertragungselement 11 wirkende Ge­ genkraft genügend groß ist, so daß das Übertragungselement 11 an keiner Stelle von der Kurvenscheibe 10 abhebt. Hier­ durch ist die Bewegung aller mit dem Übertragungselement 11 verbundenen Teile im Zuge einer Drehung der Kurvenscheibe allein durch die Form der Kurvenscheibe bestimmt und somit genau festlegbar.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen jeweils Graphen, bei denen auf der Abszisse der auf 1 normierte Kurvenscheibendrehwinkel aufgetragen ist. Hierbei bezeichnet "0" die erste Stellung, bei der die Kurvenscheibe mit dem Übertragungselement 11 in Kontakt kommt, "1" bezeichnet die zweite Stellung der Kur­ venscheibe und somit das Ende der Bewegungsübertragung.

In Fig. 2 ist auf der Ordinate der von dem Lenker 12 des Übertragungselementes zurückgelegte Winkel aufgetragen, der ein Maß für die durch das Übertragungselement 11 zurückge­ legte Strecke ist. Es sind zwei Graphen für unterschiedli­ che Formen der Kurvenscheibe dargestellt. f1 bezeichnet die Bewegung des Übertragungselementes, wenn die Kurvenscheibe die Form einer archimedischen Spirale, d. h. einer Kurve mit konstanter Steigung aufweist. f1 ist dementsprechend eine Gerade, was bedeutet, daß der Drehwinkel des Lenkers 12, der pro von der Kurvenscheibe 10 zurückgelegtem Ein­ heitswinkel durchlaufen wird, in jeder Phase der Bewegung gleich groß ist. Dies bedeutet, daß zu Anfang der Ein­ schaltbewegung von der Kurvenscheibe 10 auf das Übertra­ gungselement 11 ein Stoß ausgeübt wird und daß das Übertra­ gungselement 11 und die mit ihm verbundenen Teile des Schalterantriebs zum Ende der Einschaltbewegung eine rela­ tiv hohe dynamische Energie aufweisen, wenn nicht die Kur­ venscheibe 10 in geeigneter Form abgebremst worden ist.

f2 bezeichnet eine verbesserte Variante. Die Kurvenscheibe 10 ist hier so geformt, daß zu Beginn der Einschaltbewegung eine endliche Drehung der Kurvenscheibe 10 nicht zu einer Bewegung des Übertragungselementes 11 führt. Hierdurch wird ein Stoß auf das Übertragungselement 11 vermieden. Im mitt­ leren Bereich der Einschaltbewegung wird eine Bewegung der Kurvenscheibe 10 besonders effektiv auf das Übertragungs­ element 11 übertragen. Im Endbereich der Einschaltbewegung ergeben sich ähnliche Bedingungen wie im Anfangsbereich, so daß hier die Kurvenscheibe aus laufen kann, ohne daß das Übertragungselement 11 weiter vorangetrieben wird.

In Fig. 3 sind die mathematischen Ableitungen der in Fig. 2 gezeigten Funktionen f1 und f2 nach dem Kurvenscheiben­ drehwinkel, das heißt der Differentialquotient aus dem Weg des Übertragungselementes und dem Kurvenscheibendrehwinkel, dargestellt. Aus dem oben Beschriebenen wird deutlich, daß die Ableitung der Funktion, um einen Stoß auf das Übertra­ gungselement 11 zu vermeiden, am Punkt "0", das heißt zu Beginn der Übertragung gleich Null sein muß und daß die Ab­ leitung zum Ende der Übertragung ebenfalls gleich Null sein muß, um ein Auslaufen der Kurvenscheibe 10 zu ermöglichen, ohne daß das Übertragungselement 11 und die mit ihm verbundenen Teile des Schalterantriebs zum Ende der Ein­ schaltbewegung noch eine endliche Geschwindigkeit, d. h. dynamische Energie aufweisen, die durch Teile des Schalters aufgefangen werden müßte.

In Fig. 4 ist, mit f3′ bezeichnet, die entsprechende Ab­ leitungsfunktion bei einer erfindungsgemäß gestalteten Kur­ venscheibe dargestellt. Die erfüllt die obengenannten Be­ dingungen, daß die Ableitung zu Beginn und Ende der Über­ tragungsbewegung gleich Null ist. Außerdem liegt das Maxi­ mum 18 der Ableitungsfunktion in der ersten Hälfte 19 des Intervalls 20 zwischen Beginn und Ende der Bewegungsüber­ tragung. Hierdurch ist gewährleistet, daß zu Beginn der Be­ wegung eine starke Beschleunigung auf das Übertragungsele­ ment wirkt, so daß dieses in kurzer Zeit eine große Strecke zurücklegen kann. Der von dem Übertragungselement 11 zu­ rückzulegende Weg, der letztendlich durch den von dem an­ treibbaren Kontakt 2 zurückzulegenden Weg bestimmt ist, wird daher sehr schnell zum größten Teil durchlaufen. Es kann daher auch relativ früh die Abbremsung der Bewegung des Übertragungselementes 11 eingeleitet werden. Dies ist dadurch realisiert, daß jenseits des Maximums 18 der Funk­ tion f3′ diese monoton fallend ausgebildet ist. Dadurch er­ gibt sich, daß eine Bewegung der Kurvenscheibe 10 jenseits des Maximums 18 mit immer größeren Untersetzungen an das Übertragungselement 11 weitergegeben wird. Die Ausschalt­ feder 3 und die übrigen, auch reibungsbehafteten Teile des Leistungsschalters bringen dabei die Bremskräfte auf, so daß das Übertragungselement 11 durchgehend an die Kurven­ scheibe 10 angedrückt wird. Da die Abbremsungsbewegung schon sehr früh eingeleitet wird, ist die Bremsbeschleuni­ gung, die notwendig ist, um die Teile des Schalters bis zum Erreichen des Einschaltzustandes zum Stehen zu bringen, re­ lativ niedrig. Die Ausschaltfeder muß daher nicht stärker dimensioniert werden, als es für ihre Funktion als Kraft­ speicher für die Ausschaltbewegung notwendig ist.

Es zeigt sich in Fig. 4 außerdem, daß die Funktion f3′ im Bereich zwischen dem Maximum 18 und dem Ende der Bewegungs­ übertragung konvex ist, d. h. die Ableitung dieser Funktion wird zwischen dem Maximum 18 und dem Ende der Bewegungs­ übertragung immer stärker negativ, d. h. der Betrag dieser Ableitung, der der auf zubringenden Bremsbeschleunigung ent­ spricht, wird größer. Das bedeutet, daß die Bremskraft bei fortschreitender Bewegung des Übertragungselementes 11 im­ mer größer werden muß, um das Übertragungselement 11 an die Kurvenscheibe 10 anzudrücken. Dies ist dadurch, daß das Bremselement durch die Ausschaltfeder 3 gebildet ist, si­ chergestellt, da die Federcharakteristik der Feder 3 natur­ gemäß einer monoton steigenden Funktion entspricht, d. h. die Feder 3 bringt eine umso stärkere Kraft auf, je weiter sie zusammengedrückt ist.

In Fig. 5 ist der Graph der erfindungsgemäßen Funktion f, ihrer ersten Ableitung und ihrer zweiten Ableitung, jeweils nach dem Kurvenscheibendrehwinkel, dargestellt.

Claims (6)

1. Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter mit ei­ ner um eine ortsfeste Achse drehbar gelagerten, antreibba­ ren Kurvenscheibe (10), die bei einer Bewegung im Intervall (20) zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stel­ lung ein senkrecht zu der Achse (9) bewegliches Übertra­ gungselement (11) antreibt, welches Teile des Leistungs­ schalters antreibt und mit einem seine Bewegung verzögern­ den Bremselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenscheibe (10) derart geformt ist, daß der Diffe­ rentialquotient (f′) aus dem von dem Übertragungselement (11) zurückgelegten Weg und dem zurückgelegten Drehwinkel der Kurvenscheibe (10) betrachtet als Funktion des Drehwin­ kels der Kurvenscheibe (10), ein absolutes Maximum (18) im Bereich zwischen der ersten Stellung und der Mitte des In­ tervalls (20) aufweist und in dem Bereich zwischen der Stelle des absoluten Maximums (18) und der zweiten Stellung eine monoton fallende Funktion darstellt.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monoton fallende Funktion konvex ist und daß das Brems­ element (3) so ausgebildet ist, daß die Bremskraft auf das Übertragungselement (11) zwischen der Konstellation, die der Stellung der Kurvenscheibe (10) beim absoluten Maximum (18) entspricht und der Konstellation, die der zweiten Stellung der Kurvenscheibe (10) entspricht, stetig zunimmt.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialquotient in der ersten Stellung der Kurven­ scheibe (10) gleich Null ist.

4. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialquotient in der zweiten Stellung der Kur­ venscheibe (10) gleich Null ist.

5. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremselement (3) als Feder ausgebildet ist.

6. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremselement (3) als Kraftspeicher für den Leistungs­ schalter ausgebildet ist.