EP1078381A1 - Bistabiler magnetischer antrieb für einen schalter - Google Patents

Bistabiler magnetischer antrieb für einen schalter

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Publication number
EP1078381A1
EP1078381A1 EP00920438A EP00920438A EP1078381A1 EP 1078381 A1 EP1078381 A1 EP 1078381A1 EP 00920438 A EP00920438 A EP 00920438A EP 00920438 A EP00920438 A EP 00920438A EP 1078381 A1 EP1078381 A1 EP 1078381A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
armature
shunt body
end position
force
drive according
Prior art date
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Granted
Application number
EP00920438A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1078381B1 (de
Inventor
Marc Bonjean
Roger Nicolaye
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schneider Electric Energy Belgium SA
Original Assignee
E I B SA
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Filing date
Publication date
Application filed by E I B SA filed Critical E I B SA
Publication of EP1078381A1 publication Critical patent/EP1078381A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1078381B1 publication Critical patent/EP1078381B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01H3/28—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electromagnet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a bistable magnetic drive for a switch, in particular for an electrical switch, with an armature which can be moved linearly between two end positions in a space and which cooperates with at least one movable switch contact, with an armature essentially on the displacement axis of the armature and at a distance from it arranged, made of a magnetizable material shunt body, and with means for generating a magnetic field that is applied to the armature exerts a force holding this in the end positions, the course of the flux lines of the magnetic field being changed by the merging of the shunt body with the armature such that the holding force on the armature is reduced.
  • Magnetic drives of the type concerned are mostly used in the field of electrical switching technology, particularly in circuit breakers that switch on and interrupt nominal currents or overcurrents under specified conditions and isolate electrical circuits from one another. Since these switches have two stable states, namely an open state, in which the electrical insulation of the circuits concerned is maintained, and a closed state, in which the specified rated current flows continuously and can withstand an overcurrent for a certain time, it is particularly necessary to that the drives on which the switches are based also have two stable states, i. H. Retirement that require holding forces.
  • a bistable magnetic drive for an electrical switch of the type described above is known from DE-OS 196 19 835, to which reference is made in its entirety in the present context.
  • this magnetic drive there is an armature which can be moved linearly between two end positions and is connected to at least one movable switching contact provided that is kept stable in the end positions under the influence of magnetically generated forces.
  • a ferromagnetic shunt body is provided, the armature and the shunt body being arranged one behind the other in a space between a first and a second stop.
  • the stops are designed as pole faces of magnetic circles, which are caused by a pair of permanent magnets that hold the displaceable armature in the two stable end positions.
  • a pair of electromagnets is also provided, the variable magnetic field of which serves to move the armature between the two stable end positions.
  • the shunt body serves, in particular, to reverse the direction of the force exerted by the permanent magnets on the armature, possibly with a force exerted on the armature from the outside, and to transmit it to the shunt body, so that the shunt body and the Anchors can be moved to their second stable end position and held there.
  • the magnetic circuit is therefore designed such that the lines of force of the permanent magnets, depending on whether the armature and the shunt body are separated or abutting each other, close outside the armature and the shunt body in such a way that the force emanating from the permanent magnet each in one of the both directions of movement of the armature or the shunt body is directed.
  • the armature can assume two stable positions in the known drive, in which it rests on the one hand on the first stop and on the other hand on the shunt body, which in turn rests on the second stop in the second stable position of the armature. This prevents the armature that drives the movable contact from "sticking" in an intermediate position between the end positions. If the switchover of the armature position has been initiated by switching on the electromagnets or by placing the shunt body on the armature, the switchover takes place automatically and quickly. Despite the relatively low opening energy chosen, a stable intermediate layer between the two end positions of the armature is not possible. H. once a switchover process has been initiated, the switch inevitably opens or closes.
  • a particular requirement of the switches concerned here is that a functionally reliable and, in particular, fast switch-off, in particular in an emergency situation ("emergency switch-off"), must be ensured.
  • technically complex mechanical additional devices for example lever devices
  • the armature can be moved into the “OFF” position of the switch and the switching off can therefore only be accomplished with a relatively high expenditure of energy.
  • the present invention is therefore based on the object of improving a magnetic drive of the type mentioned at the outset in such a way that the effort and energy required when the circuit breaker operated with the drive is switched off is minimized and the overall operational reliability is increased, in particular in that an emergency stop can take place as quickly and reliably as possible.
  • the technical structure of the drive should be as simple as possible with regard to its manufacture, in order to ultimately minimize the manufacturing costs.
  • the use of a shunt body of the type mentioned at the outset, with the particular advantage of less effort when moving the armature, should not be dispensed with.
  • a lock is provided for the shunt body, by means of which the shunt body is stable in the end position facing it and can be released from this end position with little energy / force.
  • the shunt body can be brought together with the armature with little expenditure of energy and force and relatively quickly during the switch-off process, in particular in the event of an emergency switch-off of the operated electrical switch.
  • the shunt body is advantageously used when the switch is turned off.
  • the speed of movement of the shunt body is particularly decisive.
  • this requirement is taken into account precisely by the proposed mechanical holding device in that the shunt body can be detached from its holding position and thus also relatively quickly with little expenditure of energy / force.
  • the strict safety requirements for the failure-free functioning of a switch-off of a switch operated with the magnetic drive according to the invention, in particular in the event of an emergency switch, are met in that the shunt body can be locked in the end position by means of mechanical holding means.
  • the proposed mechanical holding device for the shunt body is less susceptible to faults than, for example, electrical or magnetic holding devices and, moreover, is still fully functional even in emergency situations, which are often associated with a power failure.
  • the mechanical holding means are realized by means of a mechanical locking device, by means of which the shunt body faces the shunt body End position is held, with a spring force acting on the shunt body in the direction of the armature after the lock has been released.
  • the shunt body therefore experiences a supporting force for the movement in the direction of the armature due to, for example, a mechanical compression spring, which counteracts the force caused by the permanent magnet (s) and automatically acts on the shunt body as soon as the mechanical holding device of the shunt body has been released.
  • a mechanical locking of the shunt body has a guide rod which is connected to the shunt body and is pivotably connected to a lever arm which cooperates with a feeler device.
  • a mechanical threshold or lock can also be provided for the mechanical holding means, by means of which the shunt body is kept unstable by a low holding force in the end position facing the shunt body, so that the shunt body can be detached from this end position while overcoming this low force potential and with the anchor can be brought together.
  • the shunt body can be locked in the end position by means of magnetic holding means.
  • Figure 1 shows a medium or high voltage circuit breaker with a linear magnetic drive according to the invention in side view, partially in section.
  • FIG. 2a, b a schematic side view of a magnetic drive according to the invention, each with two different positions of armature and shunt body;
  • FIGS. 2a and 2b shows the embodiment of the magnetic drive shown in FIGS. 2a and 2b in a schematic side view with a detailed illustration of a mechanical lock according to the invention for the shunt body;
  • 5a-e are schematic side views of the magnetic drive according to the invention during six different working phases and the corresponding magnetic field lines.
  • a circuit breaker 1 contains three switch poles 2, 3, 4, each having a switching chamber 5, in which there is a stationary switch contact, not shown, and a movable switch contact, also not shown.
  • the switching chamber 3, for. B. a vacuum switch is of conventional design.
  • the movable switch contact is connected to a shaft 7, which is mounted on a shaft 6 so as to be longitudinally displaceable under the pretension of a spring 8.
  • the springs 8 of the switch poles 2, 3, 4 are tensioned, ie the springs 8 relax when the circuit breaker is opened.
  • the shaft 6 is rigidly connected to a rod 9 which, for. B. via a bolt 10 to one end of a pivotally mounted Knee lever 11 is articulated, the other end of which is articulated to a rod 13 which can be displaced at right angles to the rod 9 in a housing 12.
  • the housing 12 carries the switch poles 2, 3, 4, which are arranged in a row.
  • a further toggle lever 14 pivotably mounted in the housing 12, the other end of which is articulated to a rod 15 which in turn is connected at its other end to a linear magnetic drive 16 according to the invention.
  • the linear magnetic drive 16 shown in FIGS. 2a and 2b has a rectangular yoke 20 on the outside made of magnetizable material, for example made of laminated soft iron sheets .
  • the outer shape of the yoke is insignificant for the invention and can be chosen freely within all conceivable shapes, for example as a cylindrical shape.
  • a recessed space 21 is provided, in which one another Protruding pole shoes 22, 23 protrude inward on opposite sides.
  • Permanent magnets 24, 25 are arranged on the inner surfaces of the pole pieces. However, the permanent magnets 24, 25 can also be formed in one piece and thereby surround the space 21 in a ring shape at the level of the pole shoes.
  • the permanent magnets 24, 25 face each other with the same poles and thus form a corresponding pair of magnets.
  • An armature 26 and a shunt body 27 are arranged one behind the other in a linearly movable manner in the space 21 inside the yoke 20. Both the armature 26 and the shunt body are preferably made of magnetizable material, preferably of magnetizable metal.
  • the movement space for the armature 26 and the shunt body 27 is limited at one end by a first stop 28 and at the other end by a second stop 29.
  • the movement space of the armature 26 is also laterally limited by the permanent magnets 24, 25.
  • a coil 30 for opening the switch 1 and a coil 31 for closing the switch 1 are each provided in further recesses of the yoke provided above the permanent magnets and outside the movement space 21.
  • the magnetic field generated by means of the coil 31 thus enables or effects an armature movement in the direction of the upper stop 29, whereas the one generated by means of the coil 30 Magnetic field enables or causes an armature movement in the direction of the shunt body 27.
  • a through hole 35 is also provided on the armature, into which a bolt (not shown in more detail) is inserted, with which the armature 26 is fastened to a shaft 36 running through the yoke 20, shunt body 27 and armature 26.
  • the shunt body 27 is held in the position provided on the lower stop 28 of the lower plate 34 by means of a locking mechanism.
  • a guide rod 37 is attached to the shunt body 27, which in turn is pivotally connected to a joint 38.
  • the joint 38 is held in the position shown in the direction of rotation of the half shaft 40 shown here via a nose 39, which cooperates with a half shaft 40, as a result of which the shunt body 27 is in turn held on the lower stop 28.
  • the shunt body 27 is held by means of a mechanical threshold (lock) (not shown here in the drawing), can be designed, for example, as a retaining spring in which the shunt body 27 can be “triggered” by overcoming a spring force potential.
  • a mechanical threshold lock
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a locking mechanism according to the invention in detail.
  • a bolt or a bracket 42 is attached to the half shaft 40, which is controlled via an externally controllable movement mechanism, here via a push button 43, which is responsible for the operation of the Locking necessary rotary movement of the half-wave executes.
  • the pivotable connection between the guide rod 37 and the joint 38 is realized in the present exemplary embodiment by a bolt 44 attached to the guide rod 37, which engages in a recess 45 provided at one end of the joint 38.
  • the shape of the continuous elongated hole 45 shown is essentially predetermined due to the play caused by the rotational movement of the joint.
  • FIGS. 4a to 4c Various working phases of the magnetic drive according to the invention are described with reference to FIGS. 4a to 4c.
  • the armature is in one of the two stable end positions, the switch 1 operated by the magnetic drive being in the "open" ("OFF") position.
  • the switch 1 operated by the magnetic drive being in the "open" ("OFF") position.
  • both the armature 26 and the shunt body 27 are each in abutment and on the lower abutment surface 28 of the yoke 20.
  • the stable end position shown in FIG. 4b is set back into an unstable state by means of the shunt body 27, which corresponds to the situation shown in FIG. 4c.
  • the shunt body 27 has moved in the direction of the armature 26 due to the spring action of the compression spring 41 and is now in abutment with it. Due to the resulting change in the course of the magnetic flux lines, there is now a downward force reversal, as a result of which the armature 26, together with the shunt body 27, can be moved downward again with relatively little effort, which again results in the situation shown in FIG. 4a , in which the armature 26 assumes the other stable end position.
  • FIGs 5a to 5e show simplified, partially sectioned side views of the magnetic drive according to the invention, already shown in Figures 2 to 4.
  • the positions of armature 26 and shunt body 27 are shown during five different working phases of the magnetic drive.
  • the magnetic field lines 50 present in the individual work phases are also shown schematically.
  • the partial figure 5a shows the drive in the open position ("OFF") of the circuit breaker.
  • the partial figure 5b shows the situation at the beginning of the movement of the armature 26 into the closed position ("ON") of the circuit breaker.
  • 5c shows the magnetic field distribution during the switch-on phase, the armature 26 being in a middle position on the way to the closed position of the circuit breaker.
  • 5d shows the magnetic field distribution in the closed position ("ON") of the circuit breaker and in FIG. 5e shows the phase at the beginning of the movement of the armature into the open position ("OFF") of the circuit breaker, the shunt body 27 having previously been included the anchor 26 has been brought into contact.
  • the shunt body is held at the lower stop by means of the holding device according to the invention (not shown here), so that the armature 26 - under separation from the shunt body 27 - under Action of the magnetic field 51 can move to the upper stop 29.
  • the shunt body 27 moves due to the force of the spring 41 in the direction of the armature 26 and comes to a stop with this after the lock (not shown here) has been released.

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Description

Titel: Bistabiler magnetischer Antrieb für einen Schalter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen bistabilen magnetischen Antrieb für einen Schalter, insbesondere für einen elektrischen Schalter, mit einem linear zwischen zwei Endlagen in einem Raum verschiebbaren, mit wenigstens einem beweglichen Schaltkontakt zusammenarbeitenden Anker, mit einem im Wesentlichen auf der Verschiebungsachse des Ankers und mit Abstand zu diesem angeordneten, aus einem magnetisierbaren Werkstoff gebildeten Nebenschlusskörper, sowie mit Mitteln zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, das auf den Anker eine diese in den Endlagen haltende Kraft ausübt, wobei durch das Zusammenführen des Nebenschlusskörpers mit dem Anker der Verlauf der Flußlinien des magnetischen Feldes derart verändert wird, dass die haltende Kraft auf den Anker verringert wird.
Magnetische Antriebe der betroffenen Gattung finden meist Anwendung auf dem Gebiet der elektrischen Schalttechnik, insbesondere bei Leistungsschaltern, die unter spezifizierten Bedingungen Nennströme oder Überströme einschalten und unterbrechen sowie elektrische Stromkreise voneinander isolieren. Da diese Schalter zwei stabile Zustände aufweisen, nämlich einen Öffnungszustand, bei dem die elektrische Isolierung der betroffenen Stromkreise aufrechterhalten wird, sowie einen geschlossenen Zustand, bei dem der festgesetzte Nennstrom dauernd fließt und einem Überstrom für eine bestimmte Zeit standgehalten wird, ist es insbesondere erforderlich, dass die bei den Schaltern zugrunde liegenden Antriebe ebenfalls zwei stabile Zustände aufweisen, d. h. Ruhestände, die Haltekräfte erforderlich machen.
Ein bistabiler Magnetantrieb für einen elektrischen Schalter der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE-OS 196 19 835, auf die in dem vorliegenden Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen wird, bekannt. Bei diesem Magnetantrieb ist ein linear zwischen zwei Endstellungen verschiebbarer, mit wenigstens einem beweglichen Schaltkontakt verbundener Anker vorgesehen, der in den Endstellungen unter dem Einfluß magnetisch erzeugter Kräfte stabil gehalten wird. Weiter ist ein ferromagnetischer Nebenschlusskörper vorgesehen, wobei der Anker und der Nebenschlusskörper hintereinander in einem Raum zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlag angeordnet sind. Die Anschläge sind dabei als Polflächen von magnetischen Kreisen ausgebildet, die von einem Paar von Permanentmagneten hervorgerufen werden, der den verschiebbaren Anker in den beiden stabilen Endpositionen hält. Zudem ist ein Paar von Elektromagneten vorgesehen, dessen variables magnetisches Feld dazu dient, den Anker zwischen den beiden stabilen Endpositionen zu bewegen. Der Nebenschlusskörper dient insbesondere dazu, durch sein Anlegen an den Anker die von den Permanentmagneten auf den Anker ausgeübte Kraft, ggf. mit einer von außen auf den Anker ausgeübten Kraft, in der Richtung umzukehren und auf den Nebenschlusskörper zu übertragen, wodurch der Nebenschlusskörper und der Anker bis zu ihrer zweiten stabilen Endposition verschoben und darin gehalten werden.
Der magnetische Kreis ist demnach so ausgebildet, dass sich die Kraftlinien der Permanentmagnete, je nachdem ob der Anker und der Nebenschlusskörper voneinander getrennt sind oder aneinanderliegen, sich außerhalb des Ankers und des Nebenschlusskörpers derart schließen, dass die von den Permanentmagneten ausgehende Kraft jeweils in eine der beiden Bewegungsrichtungen des Ankers bzw. des Nebenschlusskörpers gerichtet ist .
Der Anker kann bei dem bekannten Antrieb zwei stabile Positionen einnehmen, in denen er einerseits am ersten Anschlag und andererseits am Nebenschlusskörper anliegt, der wiederum in der zweiten stabilen Position des Ankers am zweiten Anschlag anliegt. Es wird damit verhindert, dass der Anker, der den beweglichen Kontakt antreibt, in einer Zwischenstellung zwischen den Endpositionen "hängenbleibt" . Wenn die Umschaltung der Ankerstellung durch Einschalten der Elektromagneten oder das Anlegen des Nebenschlusskörpers am Anker eingeleitet worden ist, läuft die Umschaltung automatisch und schnell ab. Trotz relativ gering gewählter Öffnungsenergie ist keine stabile Zwischenlage zwischen den beiden Endpositionen des Ankers möglich, d. h. ein einmal eingeleiteter Umschaltvorgang führt zwangsläufig zu einer Öffnung oder Schließung des Schalters.
Als besonderes Erfordernis bei den hier betroffenen Schaltern gilt, dass eine möglichst funktionssichere und insbesondere schnelle Ausschaltung, insbesondere in einer Notsituation ("Notausschaltung"), sicherzustellen ist. Bei den bekannten Schaltern sind deshalb technisch aufwendige mechanische Zusatzgeräte (z.B. Hebeleinrichtungen) vorgesehen, mittels derer der Anker in die 'AUS' -Position des Schalters verfahren werden kann und mithin die Ausschaltung nur unter einem relativ hohen Energieaufwand zu bewerkstelligen ist. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Antrieb der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der beim Ausschalten des mit dem Antrieb betriebenen Leistungsschalters erforderliche Kraft- und Energieaufwand minimiert wird und insgesamt die Betriebssicherheit erhöht wird, und zwar insbesondere dahingehend, dass eine Notausschaltung möglichst schnell und funktionssicher erfolgen kann. Gleichzeitig soll der technische Aufbau des Antriebs im Hinblick auf seine Herstellung möglichst einfach sein, um letztlich die Herstellungskosten zu minimieren. Neben diesen Anforderungen soll allerdings auf die Verwendung eines Nebenschlusskörpers der eingangs genannten Art mit dem besonderen Vorteil des geringeren Kraftaufwandes bei der Bewegung des Ankers nicht verzichtet werden.
Diese Aufgabe wird bei einem magnetischen Antrieb der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Verriegelung für den Nebenschlusskörper vorgesehen ist, mittels der der Nebenschlusskörper in der diesem zugewandten Endlage haltbar und aus dieser Endlage unter geringem Energie-/Kraftauf and lösbar ist. Mit dieser Verriegelung kann der Nebenschlusskörper beim Ausschaltvorgang, insbesondere im Falle einer Notausschaltung des betriebenen elektrischen Schalters, unter geringem Energie-/Kraftaufwand und relativ schnell mit dem Anker zusammengeführt werden. Gemäß der Erfindung wird also der Nebenschlusskörper beim Ausschalten des Schalters vorteilhaft eingesetzt. Für die Ausschaltzeit ist nun insbesondere die Bewegungsgeschwindigkeit des Nebenschlusskörpers ausschlaggebend. Diesem Erfordernis wird aber gerade durch die vorgeschlagene mechanische Haltevorrichtung dadurch Rechnung getragen, dass der Nebenschlusskörper unter geringem Energie-/Kraftaufwand von seiner Halteposition und damit auch relativ schnell abgelöst werden kann.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die strengen Sicherheitsvorgaben an ein möglichst störungsfreies Funktionieren einer Ausschaltung eines mit dem erfindungsgemäßen Magnetantrieb betriebenen Schalters, insbesondere im Falle einer Not usschaltung, dadurch erfüllt, dass der Nebenschlusskörper mittels mechanischer Haltemittel in der Endlage verriegelbar ist. Die vorgeschlagene mechanische Haltevorrichtung für den Nebenschlusskörper ist gegenüber beispielsweise elektrischen oder magnetischen Halteeinrichtungen weniger störanfällig und überdies auch in Notfallsituationen, die oft mit einem Stromausfall einhergehen, noch voll funktionstüchtig.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Magnetantriebs sind die mechanischen Haltemittel durch eine mechanische Verriegelung realisiert, mittels der der Nebenschlusskörper in der dem Nebenschlusskörper zugewandten Endlage gehalten wird, wobei auf den Nebenschlusskörper nach einem Lösen der Verriegelung eine Federkraft in Richtung des Ankers einwirkt . Bei dieser Ausführungsform erfährt der Nebenschlusskörper daher aufgrund z.B. einer mechanischen Druckfeder eine unterstützende Kraft für die Bewegung in Richtung des Ankers, die der durch den/die Permanentmagneten bewirkten Kraft entgegenwirkt und auf den Nebenschlusskörper automatisch einwirkt, sobald die mechanische Haltevorrichtung des Nebenschlusskörpers aufgehoben wurde.
Bei den mechanischen Haltemitteln kann im Speziellen vorgesehen sein, dass eine mechanische Verriegelung des Nebenschlusskörpers eine mit dem Nebenschlusskörper verbundene Führungsstange aufweist, die mit einem mit einer Tastvorrichtung zusammenarbeitenden Hebelarm schwenkbar verbunden ist.
Alternativ dazu kann bei den mechanischen Haltemitteln auch eine mechanische Schwelle bzw. Sperre vorgesehen sein, mittels der der Nebenschlusskörper in der dem Nebenschlusskörper zugewandten Endlage durch eine geringe Haltekraft labil gehalten wird, so dass der Nebenschlusskörper aus dieser Endlage unter Überwindung dieses geringen Kraftpotentials ablösbar und mit dem Anker zusammenführbar ist .
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetantriebs kann vorgesehen sein, dass der Nebenschlusskörper mittels magnetischer Haltemittel in der Endlage verriegelbar ist .
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen sowie anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Magnetantriebs.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Mittel- oder Hochspannungs-Leistungsschalter mit einem erfindungsgemäßen linearen magnetischen Antrieb in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;
Fig. 2a, b eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Magnetantriebs mit jeweils zwei unterschiedliche Positionen aufweisendem Anker und Nebenschlusskörper;
Fig. 3 die in Fig. 2a und 2b gezeigte Ausführungsform des magnetischen Antriebs in schematischer Seitenansicht mit einer detaillierten Darstellung einer erfindungsgemäßen mechanischen Verriegelung für den Nebenschlusskörper;
Fig. 4a-c drei unterschiedliche Arbeitsphasen des magnetischen Antriebs repräsentierende Seitenansichten entsprechend Fig. 3 ;
Fig. 5a-e schematische Seitenansichten des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs während sechs unterschiedlicher Arbeitsphasen und der entsprechenden Magnetfeldlinien.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird zunächst eine Verwendung des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs bei einem Mittel- oder Hochspannungs-Leistungsschalter erläutert. Ein Leistungsschalter 1 enthält drei Schalterpole 2, 3, 4, die jeweils eine Schaltkammer 5 aufweisen, in der sich ein ruhender, nicht näher dargestellter Schalterkontakt und ein beweglicher, ebenfalls nicht dargestellter Schaltkontakt befinden. Die Schaltkammer 3, z. B. ein Vakuumschalter, ist herkömmlicher Bauart. Der bewegliche Schaltkontakt ist mit einem Schaft 7 verbunden, der unter Vorspannung einer Feder 8 an einer Welle 6 längs verschiebbar gelagert ist. In Einschalt- bzw. Schließstellung des Leistungsschalters sind die Federn 8 der Schalterpole 2, 3, 4 gespannt, d. h. die Federn 8 entspannen sich beim Öffnen des Leistungsschalters. Dadurch wird die für eine Ausschaltung erforderliche Bewegung des Schafts 7 durch die Federkraft der Federn 8 bzw. einer sog. "Ausschaltfeder" ('44' in Fig. 1) unterstützt. Die Welle 6 ist starr mit einer Stange 9 verbunden, die z. B. über einen Bolzen 10 an das eine Ende eines schwenkbar gelagerten Kniehebels 11 angelenkt ist, dessen anderes Ende mit einer rechtwinklig zur Stange 9 in einem Gehäuse 12 verschiebbaren Stange 13 gelenkig verbunden ist. Das Gehäuse 12 trägt die Schalterpole 2, 3, 4, die in einer Reihe angeordnet sind.
An einem Ende der Stange 13 ist das eine Ende eines weiteren, im Gehäuse 12 schwenkbar gelagerten Kniehebels 14 angelenkt, dessen anderes Ende mit eine Stange 15 gelenkig verbunden ist, die an ihrem anderen Ende wiederum mit einem erfindungsgemäßen linearen magnetischen Antrieb 16 verbunden ist .
Im folgenden Teil wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen magnetischen Antriebs beschrieben, wobei in den verschiedenen Figuren gezeigte identische Bauteile durch übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnet sind.
Der in den Figuren 2a und 2b dargestellte lineare magnetische Antrieb 16 (Fig. 2a für einen geöffneten Schalter 1 und Fig. 2b für einen geschlossenen Schalter) , weist ein auf der Außenseite rechteckiges Joch 20 aus magnetisierbarem Material, bspw. aus lameliierten Weicheisenblechen, auf. Die äussere Form des Jochs ist für die Erfindung unwesentlich und kann im Rahmen aller denkbaren Formen frei gewählt werden, z.B. als Zylinderform. Im Innenbereich des Jochs 20 ist ein ausgesparter Raum 21 vorgesehen, in dem auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten Polschuhe 22, 23 nach innen hervorspringen. An den Innenflächen der Polschuhe sind jeweils Permanentmagnete 24, 25 angeordnet. Die Permanentmagnete 24, 25 können jedoch auch einteilig ausgebildet sein und dabei den Raum 21 in Höhe der Polschuhe ringförmig umgeben. Die Permanentmagnete 24, 25 sind mit gleichen Polen einander zugewandt und bilden somit ein entsprechendes Magnetpaar.
In dem Raum 21 im Inneren des Jochs 20 sind ein Anker 26 und ein Nebenschlusskörper 27 hintereinander linear beweglich angeordnet. Sowohl der Anker 26 als auch der Nebenschlusskörper sind bevorzugt aus magnetisierbarem Material, vorzugsweise aus magnetisierbarem Metall, hergestellt. Der Bewegungsraum für den Anker 26 und den Nebenschlusskörper 27 wird an einem Ende durch einen ersten Anschlag 28 und am anderen Ende durch einen zweiten Anschlag 29 begrenzt. Seitlich wird der Bewegungsraum des Ankers 26 zudem durch die Permanentmagnete 24, 25 begrenzt.
In weiteren, oberhalb der Permanentmagnete und außerhalb des Bewegungsraums 21 vorgesehenen Aussparungen des Jochs sind jeweils eine Spule 30 zum Öffnen des Schalters 1 sowie eine Spule 31 zum Schließen des Schalters 1 vorgesehen. Das mittels der Spule 31 erzeugte Magnetfeld ermöglicht oder bewirkt also eine Ankerbewegung in Richtung des oberen Anschlages 29, wohingegen das mittels der Spule 30 erzeugte Magnetfeld eine Ankerbewegung in Richtung des Nebenschlusskörpers 27 ermöglicht bzw. bewirkt.
Der Bewegungsraum für den Anker 26 und den Nebenschlusskörper
27 wird nach oben hin durch eine in die Aussparung des Jochs eingebrachte obere Platte 33 und unten durch eine entsprechende untere Platte 34 begrenzt.
An dem Anker ist ferner ein Durchgangsloch 35 vorgesehen, in das ein nicht näher dargestellter Bolzen eingesetzt ist, mit dem der Anker 26 an eine durch Joch 20, Nebenschlusskörper 27 und Anker 26 laufende Welle 36 befestigt ist. Über die Welle
36 wird die Bewegung des Ankers 26 auf die in Fig. 1 dargestellte Schalteranordnung, bspw. über das in Fig. 1 dargestellte Kniegelenk 14, übertragen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Nebenschlusskorper 27 in der an dem unteren Anschlag 28 der unteren Platte 34 vorgesehenen Position mittels einer Verriegelungsmechanik festgehalten. Insbesondere ist an dem Nebenschlusskörper 27 eine Führungsstange 37 angebracht, die wiederum mit einem Gelenk 38 schwenkbar verbunden ist. Das Gelenk 38 wird über eine Nase 39, die mit einer Halbwelle 40 zusammenarbeitet, in der hier gezeigten Drehrichtung der Halbwelle 40 in der gezeigten Stellung gehalten, wodurch der Nebenschlussk rper 27 wiederum an dem unteren Anschlag 28 festgehalten wird. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Nebenschlusskörper 27 mittels einer mechanischen Schwelle (Sperre) gehalten wird (hier nicht zeichnerisch dargestellt) , kann beispielsweise als Rückhaltefeder ausgebildet sein, bei der der Nebenschlusskörper 27 durch Überwinden eines Federkraftpotentials 'ausgelöst' werden kann. Dem Fachmann sind entsprechende Haltevorrichtungen aus vielen Bereichen der Technik geläufig.
Bei der in Fig. 2b gezeigten Situation liegt der Anker 26 am oberen Anschlag 29 der oberen Platte 33 an und der Nebenschlusskörper 27 liegt wiederum in Anschlag mit dem Anker 26. Die dafür erforderliche Bewegung des Nebenschlusskörpers 27 wird zunächst dadurch ausgelöst, dass durch Drehen der Halbwelle 40 die Nase 39 nicht mehr mit der oberen Halbwelle 40 auf Anschlag liegt und somit das Gelenk 38 frei beweglich wird. Aufgrund der Federkraft einer Druckfeder 41 bewegt sich somit der Nebenschlusskörper 27 in Richtung des durch die Bewegung des Ankers 26 freigewordenen Freiraumes, bis er in Anschlag mit dem Anker 26 ist.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Verriegelungsmechanik gemäß der Erfindung im Detail dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist an der Halbwelle 40 ein Bolzen bzw. ein Bügel 42 angebracht, der über eine von außen steuerbare Bewegungsmechanik, hier über einen Drucktaster 43, die für die Arbeitsweise der Verriegelung notwendige Drehbewegung der Halbwelle ausführt. Die schwenkbare Verbindung zwischen der Führungsstange 37 und dem Gelenk 38 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen an der Führungsstange 37 angebrachten Bolzen 44 realisiert, der in eine an dem einen Ende des Gelenks 38 vorgesehene Ausnehmung 45 eingreift. Die gezeigte Formgebung des durchgehenden Langlochs 45 ist aufgrund des durch die Drehbewegung des Gelenks bedingten Spiels im Wesentlichen vorgegeben.
Anhand der Figuren 4a bis 4c werden verschiedene Arbeitsphasen des erfindungsgemäßen Magnetantriebs beschrieben.
In Fig. 4a befindet sich der Anker in einer der beiden stabilen Endpositionen, wobei der durch den Magnetantrieb betriebene Schalter 1 sich in der Stellung "offen" ("AUS") befindet. In dieser stabilen Endposition befinden sich sowohl der Anker 26 als auch der Nebenschlusskörper 27 jeweils auf Anschlag und an der unteren Anschlagsfläche 28 des Jochs 20.
Bei der in Fig. 4b gezeigten Situation hat sich der Anker 26 aufgrund des von den Permanentmagneten 25 und dem Elektromagneten 31 insgesamt durch Überlagerung erzeugten magnetischen Feldes nach oben hin bewegt und liegt nunmehr an der oberen Anschlagsfläche 29 an. Diese zweite stabile Endposition des Ankers 26 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Anker 26 und der Nebenschlusskörper 27 voneinander getrennt sind. Diese Trennung wird nun durch den in Figur 3 gezeigten Verriegelungsmechanismus bewirkt. Dagegen wird die Stabilität der gezeigten Endposition des Ankers 26 im Wesentlichen durch die Wirkung des von den Permanentmagneten 25 ausgehenden Feldes bewirkt. Die Phänomenologie des zugrunde liegenden Magnetfeldes und dessen Kraftwirkung auf den Anker 26 werden unten anhand der Figuren 5a bis 5f detailliert erläutert.
Die in Fig. 4b gezeigte stabile Endposition wird mittels des Nebenschlusskörpers 27 wieder in einen instabilen Zustand gesetzt, was der in Fig. 4c gezeigten Situation entspricht. Durch Lösen der Verriegelung hat sich der Nebenschlusskörper 27 aufgrund der Federwirkung der Druckfeder 41 in Richtung Anker 26 bewegt und liegt nun in Anschlag mit diesem. Aufgrund des dadurch bedingten veränderten Verlaufs der Magnetflußlinien findet nunmehr eine Kraftumkehr nach unten statt, wodurch der Anker 26, zusammen mit dem Nebenschlusskörper 27, unter relativ geringem Kraftaufwand wieder nach unten bewegt werden kann, womit sich dann wieder die in Fig. 4a gezeigte Situation einstellt, bei der der Anker 26 die andere stabile Endposition einnimmt.
Die Figuren 5a bis 5e zeigen vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansichten des erfindungsgemäßen, bereits in den Figuren 2 bis 4 dargestellten magnetischen Antriebs. Gezeigt werden insbesondere die Positionen von Anker 26 und Nebenschlusskörper 27 während fünf unterschiedlicher Arbeitsphasen des Magnetantriebs. Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise sind ferner die in den einzelnen Arbeitsphasen vorliegenden Magnetfeldlinien 50 ebenfalls schematisch eingezeichnet .
Die Teilfigur 5a zeigt dabei den Antrieb in der Öffnungsstellung ("AUS") des Leistungsschalters. Die Teilfigur 5b zeigt die Situation zu Beginn der Bewegung des Ankers 26 in die Schließstellung ("EIN") des Leistungsschalters. In der Teilfigur 5c ist die magnetische Feldverteilung während der Einschaltphase gezeigt, wobei der Anker 26 in einer Mittelposition auf dem Weg in die Schließstellung des Leistungsschalters ist. In der Teilfigur 5d ist die magnetische Feldverteilung in der Schließstellung ("EIN") des Leistungsschalters gezeigt und in der Teilfigur 5e die Phase zu Beginn der Bewegung des Ankers in die Öffnungsstellung ("AUS") des Leistungsschalters, wobei der Nebenschlusskörper 27 zuvor bereits mit dem Anker 26 in Kontakt gebracht worden ist .
Während der in den Teilfiguren 5a bis 5d gezeigten Arbeitsphasen des Magnetantriebs wird der Nebenschlusskörper mittels der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung (hier nicht gezeigt) am unteren Anschlag festgehalten, damit der Anker 26 sich - unter Trennung von dem Nebenschlusskörper 27 - unter Einwirkung des Magnetfeldes 51 zum oberen Anschlag 29 hin bewegen kann .
In Fig. 5e bewegt sich der Nebenschlusskörper 27 aufgrund der Kraftwirkung der Feder 41 in Richtung Anker 26 und geht auf Anschlag mit diesem, nachdem die (hier nicht gezeigte) Verriegelung gelöst worden ist .

Claims

Patentansprüche
Magnetischer Antrieb für einen Schalter, insbesondere für einen elektrischen Schalter (1) , mit einem linear zwischen zwei Endlagen in einem Raum (21) verschiebbaren, mit wenigstens einem beweglichen Schaltkontakt zusammenarbeitenden Anker (26) , mit einem im Wesentlichen auf der Verschiebungsachse des Ankers (26) und mit Abstand zu diesem angeordneten, aus einem magnetisierbaren Werkstoff gebildeten Nebenschlusskörper (27), sowie mit Mitteln (24, 25, 29, 31) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, das auf den Anker (26) eine diesen in den Endlagen (28, 29) haltende Kraft ausübt, wobei durch das Zusammenführen des Nebenschlusskörpers mit dem Anker (26) der Verlauf der Flußlinien des magnetischen Feldes derart verändert wird, dass die haltende Kraft auf den Anker (26) verringert wird, gekennzeichnet durch eine Verriegelung für den Nebenschlusskörper (27) , mittels der der
Nebenschlusskörper (27) in der diesem zugewandten Endlage (28) haltbar und aus dieser Endlage (28) unter geringem Energie-/Kraftaufwand lösbar ist.
2. Magnetantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschlusskörper (27) mittels mechanischer Haltemittel (37-40, 42-45) in der Endlage (28) verriegelbar ist.
3. Magnetantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Haltemittel eine mechanische Verriegelung (37-40, 42-45) vorgesehen ist mittels der der Nebenschlusskörper (27) in der Endlage (28) festhaltbar ist und dass auf den Nebenschlusskörper (27) nach dem Öffnen der Verriegelung eine Federkraft (41) in Richtung des Ankers (26) einwirkt.
4. Magnetantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Haltemittel eine mechanische Schwelle vorgesehen ist, mittels der der Nebenschlusskörper (27) in der Endlage (28) festhaltbar ist unter geringem Energie-/Kraftaufwand mit dem Anker
(26) zusammenführbar ist.
5. Magnetantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschlusskörper (27) mittels magnetischer Haltemittel in der Endlage (28) verriegelbar ist.
6. Magnetantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verriegelung (37-40, 42-45) des Nebenschlusskörpers (27) eine mit dem Nebenschlusskörper
(27) verbundene FührungsStange (37) aufweist, die mit einem mit einer Tastvorrichtung zusammenarbeitenden Hebelarm (38) schwenkbar verbunden ist.
. Magnetantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schalter (1) in der dem Nebenschlusskörper (27) abgewandten Endlage des Ankers (26) geschlossen und in der dem Nebenschlusskörper (27) zugewandten Endlage des Ankers (26) offen ist.
8. Magnetantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (26) , das Joch (20) und die obere Platte (33) zur Vermeidung von Wirbelströmen mit Schlitzen versehen sind.
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