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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen
Betätiger,
der dazu bestimmt ist, in einem elektrischen Schaltgerät verwendet
zu werden, insbesondere einem Gerät vom Typ Relais, Schutz oder
Schaltschütz.
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Diese
elektrischen Schaltgeräte
dienen üblicherweise
dazu, die Versorgungsschaltung einer Last oder eines elektrischen
Empfängers
umzuschalten, zum Beispiel eines Elektromotors, der stromabwärts hinter
dem Gerät
angeschlossen ist. Hierzu weist das Schaltgerät ortsfeste Kontakte, die mit
beweglichen Kontakten zusammenarbeiten, und einen elektromagnetischen
Betätiger
auf, der die beweglichen Kontakte zwischen einer geschlossenen Stellung,
in der sie gegen die ortsfesten Kontakte gedrückt sind, um den Versorgungsstrom
in der elektrische Last fließen
zu lassen, und einer offenen Stellung verschiebt, in der sie von
den ortsfesten Kontakten getrennt sind, wodurch die Versorgung der
Last unterbrochen wird.
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Die
Betätiger
können
verschiedene Typen von Betätigungssystemen
verwenden, die auf verschiedenen magnetischen und/oder elektromagnetischen
Eigenschaften beruhen. Zum Beispiel ist ein reluktantes System vom
Typ Elektromagnet ein Betätigungssystem,
das bei Schützen
häufig
verwendet wird. Es weist eine ortsfeste Erregungsspule, die von einem
elektrischen Steuerstrom durchflossen wird, und eine ferromagnetische
Schaltung mit variabler Induktanz auf, die einen ortsfesten und
einen beweglichen Teil aufweist. Es kann außerdem durch Hinzufügung eines
Dauermagneten polarisiert werden.
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Ein
reluktantes System erzeugt hauptsächlich eine magnetische Kraft,
die aus der Reluktanzveränderung
aufgrund der Veränderung
der Dicke des Spalts des Magnetkreises zwischen der offenen und
der geschlossenen Stellung resultiert. Diese Kraft ist umgekehrt
proportional zur Dicke des magnetischen Spalts. In der geschlossenen
Stellung, wenn die Dicke des Spalts minimal ist, ist die erzeugte
Antriebskraft also maximal. Ein geringer Haltestrom in der Spule
reicht dann aus, um der Widerstandskraft der Rückholmittel (wie Rückholfedern und
Kontaktdruckfedern) entgegenzuwirken und das System mit einem ausreichenden
Kontaktdruck in der geschlossenen Stellung zu halten. Ein reluktantes
System ist aber nur über
einen sehr geringen Hub in der Lage, diese große Antriebskraft zu liefern,
im Allgemeinen weniger als einige Millimeter.
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In
der offenen Stellung ist nämlich
die Dicke des Spalts des Magnetkreises maximal. Um den Schließhub zu
starten, der die beweglichen Kontakte aus der offenen Stellung in
die geschlossene Stellung bringt, ist also ein starker Ansprechstrom
in der Spule notwendig, um eine ausreichende Antriebskraft zu erzeugen,
die in der Lage ist, den beweglichen Teil des Magnetkreises anzuziehen.
Dies kann dann dazu führen,
die Gesamtheit des Systems (Magnetkreis und Spule) bezüglich dieser
Notwendigkeit eines starken Ansprechstroms in der Spule zu überdimensionieren.
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Es
gibt bereits bestimmte Lösungen,
die es ermöglichen,
den Stromverbrauch eines Elektromagneten zu reduzieren, indem die
Ansprech- und Halteschritte unterschieden werden. Man kann zum Beispiel
einen Ansprechstrom anlegen, der sich vom Haltestrom unterscheidet,
mit Hilfe von Widerständen,
die in die elektrische Steuerschaltung der Spule eingefügt werden
oder nicht. Man kann auch eine oder zwei Spulen verwenden, um die
Anzahl von Amperewindungen je nach den Schritten zu variieren. Diese
Systeme erlauben aber keine signifikante Verbesserung der Kompaktheit
und bieten wenig Regelmöglichkeiten;
sie bieten insbesondere keine Möglichkeit
der Steuerung der Geschwindigkeit, des Hubs oder der Kraft des Betätigers.
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Ein
elektromagnetisches Betätigungssystem mit
beweglicher Spule, das auch elektrodynamisches System genannt wird,
ist durch einen ortsfesten ferromagnetischen Kreis, eine ortsfeste
magnetisierte Einheit und eine bewegliche Spule gekennzeichnet. In
diesem Fall ist die magnetische Kraft hauptsächlich eine Laplace-Kraft,
die aus der Veränderung
der gegenseitigen Induktanz zwischen der magnetisierten Einheit
und der Spule resultiert. Sie ist proportional zum Spulenstrom und
zur magnetischen Induktion, die von der magnetisierten Einheit erzeugt
wird. Ein solches System liefert also eine Antriebskraft, die eine
gute Linearität
entlang des ganzen Hubs zwischen der offenen und der geschlossenen
Stellung für
einen gegebenen Magnetfluss und Spulenstrom hat.
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Umgekehrt
erlaubt es dieses System nicht, eine große zusätzliche Antriebskraft in der
Nähe der geschlossenen
Stellung zu liefern, um einen guten Kontaktdruck der beweglichen
Kontakte auf den ortsfesten Kontakten des Schaltgeräts zu garantieren. Dann
muss der Spulenstrom in der geschlossenen Stellung stark erhöht werden,
was zu einem großen Stromverbrauch
sowie zu möglichen
Wärmeproblemen
führt.
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Es
gibt auch elektromechanische Betätigungssysteme
mit beweglichem Magnet, die einen ortsfesten Eisenkreis, eine ortsfeste
Spule und eine bewegliche magnetisierte Einheit aufweisen. Bei dieser
Art von System muss permanent eine gute Führung des beweglichen Magneten
gewährleistet
sein, was zu starken Reibungen führen
kann.
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Die
Druckschrift
US-A-3
525 963 beschreibt einen Betätiger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
Erfindung hat also zum Ziel, die vorhandenen Vorrichtungen zu verbessern,
indem sie in dem gleichen Betätiger
ein reluktantes System vom Typ Elektromagnet einem System mit beweglicher Spule
zuordnet, um die Vorteile dieser beiden Technologien zu kombinieren.
Dies ermöglicht
es insbesondere, die Dynamik der Schließbewegung eines Elektromagneten
aufgrund der Wirkung eines Systems mit beweglicher Spule zu verbessern.
Im Gegenzug ermöglicht
dies ebenfalls, den Kontaktdruck der beweglichen Kontakte eines
Systems mit beweglicher Spule aufgrund der Wirkung eines Elektromagneten
zu verbessern.
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Daher
beschreibt die Erfindung einen elektromagnetischen Betätiger gemäß Anspruch
1.
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Gemäß einem
Merkmal weist das ortsfeste Joch zwei Seitenflanken und einen ortsfesten
zentralen Kern auf, und die magnetisierte Einheit besteht aus zwei
Magneten, die an den Seitenflanken symmetrisch bezüglich der
Verschiebungsachse der Spule befestigt sind.
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Gemäß einem
anderen Merkmal weist der Betätiger
Mittel zur Regelung des elektrischen Steuerstroms auf, um die an
die bewegliche Spule angewendete Kraft zu steuern.
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Die
Erfindung betrifft auch ein elektrisches Schaltgerät, das einen
oder mehrere ortsfeste Kontakte aufweist, die mit einem oder mehreren
beweglichen Kontakten zusammenwirken, um die Versorgung einer elektrischen
Last umzuschalten, die stromabwärts
hinter dem Gerät
angeschlossen ist und mindestens einen solchen elektromagnetischen Betätiger aufweist,
um den oder die elektrischen Kontakte zu betätigen.
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Durch
die Erfindung ist das Profil der Kurve der Antriebskraft des Betätigers sehr
viel besser an das Profil der Kurve der Widerstandskraft der beweglichen
Kontakte in einem Gerät
vom Typ Schutz angepasst. Das System mit beweglicher Spule liefert nämlich die
notwendige Antriebskraft während
des Annäherungshubs
der beweglichen Kontakte, und der Elektromagnet liefert die zusätzliche
Antriebskraft, die am Ende des Hubs notwendig ist, um die beweglichen
Kontakte gegen die ortsfesten Kontakte anzudrücken und zu halten. Die vorgeschlagene
Lösung
ist einfach, leicht anzuwenden und ermöglicht es, die Leistungen,
die Abmessungen und den Verbrauch im Vergleich mit einem existierenden
Betätiger
für gegebene
Merkmale eines Geräts
zu optimieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf eine als Beispiel angegebene Ausführungsform
hervor, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Es
zeigen:
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1 einen
vereinfachten Längsschnitt
einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Betätigers in
der offenen Stellung,
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2 das
Beispiel der 1 in der geschlossenen Stellung,
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die 3 & 4 schematisch
zwei Varianten der 1,
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5 einen
vereinfachten Längsschnitt
einer zweiten Ausführungsform
eines Betätigers
in der offenen Stellung,
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6 das
Beispiel der 5 in der geschlossenen Stellung,
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7 schematisch
eine Variante der 6.
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Unter
Bezugnahme auf die erste Ausführungsform,
die den 1 & 2 entspricht,
weist ein Betätiger
eines elektrischen Schaltgeräts
ein ortsfestes Joch 10 aus ferromagnetischem Material,
das die Form eines U mit zwei Seitenflanken 12, 13 und einer
Basis 14 besitzt, sowie einen zentralen Kern 15 auf,
der sich auf die Basis 14 stützt. Der zentrale Kern 15 ist
ganz oder teilweise von einer Erregerspule 30 umgeben,
die gemäß einer
Längsverschiebungsachse
X translationsbeweglich ist, wenn sie von einem elektrischen Steuerstrom
durchquert wird.
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Der
Betätiger
weist ein bewegliches ferromagnetisches Element auf, das in den 1 & 2 aus
einem beweglichen Anker 20 besteht, der über Verbindungsmittel 35 mechanisch
mit der Spule 30 verbunden ist. Hier nicht im Einzelnen
dargestellte klassische Verbindungsmittel können leicht verwendet werden,
um den beweglichen Anker 20 fest mit der beweglichen Spule 30 zu
verbinden. Der oder die beweglichen Kontakte des Geräts sind
mit dieser beweglichen Anordnung "Spule + Anker" gekoppelt. Der Anker 20 und
die Spule 30 verschieben sich also entlang der Längsachse
X zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung,
um bewegliche Kontakte des Schaltgeräts zu betätigen.
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Der
Betätiger
weist ebenfalls eine magnetisierte Einheit auf, die aus zwei Magneten 32, 33 besteht,
die an der Innenwand der Seitenflanken 12 bzw. 13 symmetrisch
bezüglich
der Längsachse
X der Spule befestigt sind. Die Magnetisierungsachsen der Magnete 32, 33 sind
lotrecht und symmetrisch zur Achse X, und sie sind unterschiedslos
entweder zur Achse X oder entgegengesetzt zur Achse X gerichtet.
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Der
Magnetkreis des Betätigers
weist also einen ortsfesten Teil, der aus dem ortsfesten Joch 10 besteht,
und einen beweglichen Teil auf, der aus dem beweglichen Anker 20 besteht.
In dieser ersten Ausführungsform
besteht der Kreis aus zwei bezüglich der
Achse X symmetrischen Hälften,
die einen Magnetfluss B2 erzeugen, wenn ein Strom in der Spule 30 fließt.
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Jede
Magnetkreishälfte
besitzt einen Magnetspalt mit veränderlicher Dicke E1, der zwischen der
Fläche
des Endes der Seitenflanken 12, 13 und den entsprechenden
Spaltflächen
des Ankers 20 gebildet ist, die sich gegenüber dem
Ende der Flanken 12, 13 befinden. Jede Hälfte des
Magnetkreises besitzt ebenfalls einen Restmagnetspalt mit einer
im Wesentlichen konstanten Dicke E2, der zwischen dem zentralen
Kern 15 und dem Anker 20 von Flächen parallel
zur Achse X und einander gegenüber gebildet
wird. Dieser Restspalt ermöglicht
es, den Magnetkreis in geschlossener Stellung nicht zu sättigen.
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Der
globale Spalt jeder Hälfte
des Magnetkreises ist also gleich E1 + E2 in der offenen Stellung und
gleich E2 in der geschlossenen Stellung, wenn der Anker 20 in
der geschlossenen Stellung gegen die Flanken 12, 13 angedrückt ist.
Der Weg des Magnetflusses 32 ist wie folgt (siehe 2):
zentraler Kern 15, Basis 14, Flanken 12, 13,
Spalten E1 zwischen den Flanken 12, 13 und dem
Anker 20, Spalten E2 und zentraler Kern 15. Der
Fluss B2 erzeugt eine Anziehungskraft FA,
die auf den beweglichen Anker 20 angewendet wird, um den
Spalt E1 zu verringern.
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Außerdem erzeugt
jeder Magnet 32, 33 einen Magnetfluss 31 (siehe 1),
der die Spule 30, den zentralen Kern 15, die Basis 14 und
die Flanken 12, 13 durchquert, ehe er sich in
den Magneten 32, 33 rückschleift. Aufgrund der Magnetisierungsachse der
Magnete 32, 33 durchquert der Fluss B1 die Spule 30 im
Wesentlichen lotrecht zur Längsachse
X. Wenn ein Steuerstrom die Spule 30 durchquert, wird so
eine Laplace-Kraft FL erzeugt, die die Tendenz
hat, die Spule gemäß der Achse
X zu verschieben. Diese Kraft FL ist insbesondere
proportional zum Steuerstrom und hängt nicht von der Stellung
der Spule 30 ab, was zu einer regelmäßigen Verschiebung der Spule
führt.
Diese Kraft kann außerdem
leicht gesteuert und geregelt werden, indem die Richtung und die
Stärke
des Steuerstroms verändert
werden.
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Wenn
der Betätiger
in der offenen Stellung ist ( 1), und
wenn ein Steuerstrom in der Spule 30 fließt, entsteht
eine Kraft FL, die die Spule 30 in
ihrer Schließbewegung
antreibt. Da die Dicke des Spalts E1 maximal ist, ist dagegen die
vom Fluss B2 erzeugte Anziehungskraft FA auf den Anker 20 minimal,
da umgekehrt proportional zur Dicke des Spalts des Magnetkreises.
Der Start der Schließbewegung
der beweglichen Anordnung "Spule
+ Anker" wird also hauptsächlich von
der Kraft FL verursacht.
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In
dem Maße,
in dem die Spule 30 sich der geschlossenen Stellung annähert, indem
sie den beweglichen Anker 20 mittels der verbindungsmittel 35 antreibt,
verringert sich der Spalt E1, und die Kraft FA vergrößert sich
dann. Wenn der Betätiger
in der geschlossenen Stellung ist (2), ist
der globale Spalt des Magnetkreises auf seinem Minimum, und die
an den Anker 20 angewendete Kraft FA ist
maximal und addiert sich zur Kraft FL, die
an die Spule 30 angewendet wird.
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Mit
Hilfe dieser Vorrichtung kombiniert man so sehr einfach einen Betätiger mit
einer beweglichen Spule, zum Beispiel vom Typ Voice-Coil, die in
der Lage ist, eine regelmäßige Bewegung über den
ganzen Hub der Spule mit einem Betätiger vom Typ Elektromagnet
zu liefern, der in der Lage ist, in der Nähe der geschlossenen Stellung
eine große
zusätzliche Kraft
zu liefern. Es ist also nicht mehr notwendig, in der Spule entweder
einen großen
Haltestrom in der geschlossenen Stellung zu liefern, um einen zufriedenstellenden
Kontaktdruck zu garantieren, wie bei einem einfachen Betätiger mit beweglicher
Spule, oder einen großen
Ansprechstrom in der offenen Stellung zu liefern, um die Schließbewegung
des beweglichen Ankers zu starten, wie bei einem einfachen Elektromagnet.
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Der
Wert E1 des veränderlichen
Magnetspalts wird zum Beispiel so gewählt, dass die Kraft FA insbesondere während des Schließhubs interveniert, ehe
die beweglichen Kontakte des Geräts
mit den ortsfesten Kontakten in Kontakt kommen. Dies ermöglicht es,
wirksam die Erhöhung
der Widerstandskraft zu überwinden,
die in diesem Moment auftritt, und anschließend an die beweglichen Kontakte
einen ausreichenden Kontaktdruck anwenden zu können, bezüglich der gewünschten
Eigenschaften des Geräts.
Der Wert E2 des Restspalts wird gewählt, um die Sättigung
des Magnetkreises in der geschlossenen Stellung zu minimieren.
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Um
die Öffnungsbewegung
(von der geschlossenen Stellung in die offene Stellung) durchzuführen, kann
der Betätiger
bekannte Rückholmittel (wie
eine nicht den Figuren dargestellte Rückholfeder) aufweisen, und
kann außerdem
einen Sperrsteuerstrom in die Spule schicken, um diese Bewegung
besser zu steuern (zum Beispiel, um sie zu beschleunigen).
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3 zeigt
eine erste Variante der ersten Ausführungsform des Betätigers in
der offenen Stellung. In dieser Variante besteht anstelle des Ankers 20 der
bewegliche Teil des Magnetkreises nun aus einem beweglichen Kern 21 aus
ferromagnetischem Material, der mechanisch mit der beweglichen Spule 30 verbunden
ist. Das ortsfeste Joch 10 des Magnetkreises weist eine
Basis 14 auf, die einen ortsfesten zentralen Kern 16 und
zwei Seitenflanken 12, 13 sowie einen ortsfesten
Anker 18 besitzt, der quer auf den Enden der Flanken 12, 13 angeordnet
ist. Der Anker 18 weist eine zentrale Öffnung auf, um den beweglichen
Kern 21 durchzulassen.
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Der
veränderliche
Spalt E1 des Magnetkreises wird zwischen der Fläche eines Endes des beweglichen
Kerns 21 und der Fläche
eines entsprechenden Endes des ortsfesten zentralen Kerns 16 gebildet.
Vorzugsweise umgibt die Spule 30 dann den veränderlichen
Spalt E1. Ein Restspalt E2 des Magnetkreises wird zwischen dem beweglichen
Kern 21 und dem Anker 18 von ihren einander gegenüberliegenden
Spaltflächen
parallel zur Längsachse
X gebildet.
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Außerdem,
um die Größe der Spaltflächen des
beweglichen Kerns 21 und des ortsfesten Kerns 16 zu
erhöhen,
und um folglich die Kraft FA zu erhöhen, zeigt 3 ein
Ende des beweglichen Kerns 21, dessen Fläche 29 nicht
lotrecht zur Verschiebungsachse X ist, sondern geneigte Formen aufweist,
die nicht orthogonal zur Achse X sind. Der ortsfeste Kern 16 weist
dann offensichtlich komplementäre
Formen zu dieser Spaltfläche 29 auf.
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4 zeigt
eine zweite Variante der ersten Ausführungsform des Betätigers in
der geschlossenen Stellung. In dieser Variante besteht der bewegliche
Teil des Magnetkreises nun aus einem massiven beweglichen Anker 22.
Der zentrale Kern 17 des ortsfesten Jochs 10 durchquert
nicht mehr den Anker 22. Der Spalt des Magnetkreises wird
zwischen den Flächen
der Enden der Seitenflanken 12, 13 und des zentralen
Kerns 17 mit entsprechenden Flächen des Ankers 22 gebildet.
Um einen Restspalt in der geschlossenen Stellung aufrechtzuerhalten,
können unmagnetische
Keile 23 zum Beispiel auf den Enden des Jochs 10 angeordnet
werden.
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Verschiedene
andere Varianten der Struktur des Magnetkreises könnten es
ebenfalls ermöglichen,
einen erfindungsgemäßen Betätiger zu
erhalten.
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Der
Querschnitt, d. h. gemäß einer
Ebene orthogonal zur Längsachse
X, der Spule 30 kann entweder eine im Wesentlichen kreisförmige Form
haben, die es insbesondere ermöglicht,
die Struktur der Spule zu erleichtern, oder im Wesentlichen rechteckförmig sein,
was es insbesondere ermöglicht,
die Wirksamkeit der Voice-Coil-Wirkung zu erhöhen.
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Die 5 & 6 zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
weist der elektromagnetische Betätiger
des Schaltgeräts
nicht mehr zwei Hälften
eines Magnetkreises zu beiden Seiten der Längsverschiebungsachse X, sondern
nur eine Hälfte
auf. Der Magnetkreis weist dann ein ortsfestes Joch 40 und
ein bewegliches Element 45 auf. Ein Magnetspalt E1 mit veränderlicher
Dicke wird zwischen einer Spaltfläche des beweglichen Elements 45 und
einer entsprechenden Fläche
des Jochs 40 gebildet. Im Beispiel der 5 bis 7 sind
diese Spaltflächen
im Wesentlichen lotrecht zur Achse X. Ein ortsfester Restmagnetspalt
wird zwischen einer Spaltfläche
des beweglichen Elements 45 parallel zur Achse X und einer
entsprechenden gegenüberliegenden
Fläche
des Jochs 40 gebildet.
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Die
ortsfeste magnetisierte Einheit besteht aus einem Magnet 52,
der gegen das ortsfeste Joch 40 angeordnet ist und dessen
Magnetisierungsachse lotrecht zur Längsachse X ist. Eine gemäß der Achse X
translationsbewegliche Spule 50 ist mechanisch mit dem
beweglichen Element 45 verbunden. Die Spule 50 kann
den veränderlichen
Spalt E1 (5 & 6) umgeben,
um die von der Spule erzeugte Wirkung besser zu nutzen, könnte aber
auch den Magnet 52 umgeben (7). Der
Betrieb dieses Betätigers
ist der gleiche wie vorher. In der offenen Stellung (5)
wird die Bewegung der Spule 50 hauptsächlich durch eine Kraft FL erhalten, die von dem Fluss B1 des Magneten 52 erzeugt
wird, wenn ein Strom in der Spule 50 fließt. In der
Nähe der
geschlossenen Stellung (6) bewirkt der sich verringernde
Spalt E1 die Erhöhung
einer Magnetkraft FA, die sich zur Kraft
FL addiert.
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Vorteilhafterweise
kann der Betätiger
ebenfalls Mittel zur Regelung des elektrischen Steuerstroms besitzen,
die es ermöglichen,
die Antriebskraft zu steuern und zu regeln, die an die bewegliche Spule
angewendet wird, um die Stellung und die Geschwindigkeit des beweglichen
Teils des Betätigers kontrollieren
zu können.
Diese Regelmittel können mit
Messmitteln des Leistungsstroms gekoppelt sein, der in den Kontakten
des Geräts
fließt,
um die Umschaltung der Kontakte in einem vordefinierten Moment durchführen zu
können.
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Zum
Beispiel können
nach dem Empfang eines Öffnungsbefehls
der mobilen Kontakte des Geräts
die Regelmittel wählen,
die Öffnungsbewegung zu
verzögern,
bis der in den Kontakten fließende Strom
unter einer vorbestimmten Schwelle ist (Umschaltung bei Nullstrom).
Ein mit Wechselstrom gespeistes und einen Betätiger für jeden Leistungspol aufweisendes
Schaltgerät
kann so die beweglichen Kontakte jedes Pols in unterschiedlichen
Zeitpunkten betätigen.
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Die
Regelmittel ermöglichen
es ebenfalls, das Ende der Schließbewegung zu verlangsamen (indem
ggf. ein Sperrsteuerstrom in die Spule geschickt wird), um die Gefahren
eines Rückpralls
der beweglichen Kontakte gegen die ortsfesten Kontakte zu minimieren.
Andere Funktionalitäten
der Regelung der Stellung und der Geschwindigkeit der Anordnung "bewegliche Spule
+ bewegliches Element des Magnetkreises" sind offensichtlich möglich.
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Schließlich können, wenn
während
des Schliesshubs ein Fehler auftritt, die Regelmittel es erlauben,
umzukehren, ohne die Kontakte zu schließen, indem die Richtung des
Steuerstroms in der Spule umgekehrt wird, was bei einem klassischen Elektromagnet
unmöglich
wäre.
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Selbstverständlich kann
man, ohne den Rahmen der Ansprüche
zu verlassen, andere Varianten und Detailverbesserungen in Betracht
ziehen.