EP1188222A1 - Magnetischer linearantrieb - Google Patents

Magnetischer linearantrieb

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EP1188222A1
EP1188222A1 EP00947808A EP00947808A EP1188222A1 EP 1188222 A1 EP1188222 A1 EP 1188222A1 EP 00947808 A EP00947808 A EP 00947808A EP 00947808 A EP00947808 A EP 00947808A EP 1188222 A1 EP1188222 A1 EP 1188222A1
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EP
European Patent Office
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coil
active part
magnetically active
current
armature
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EP00947808A
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English (en)
French (fr)
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EP1188222B1 (de
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Karl Mascher
Klaus Schuler
Andreas Arndt
Holger Gerhard Wisken
Wolf Rüdiger CANDERS
Hardo May
Herbert Weh
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP1188222B1 publication Critical patent/EP1188222B1/de
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    • H01F7/1816—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current making use of an energy accumulator
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    • 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
    • H01H33/6662—Operating arrangements using bistable electromagnetic actuators, e.g. linear polarised electromagnetic actuators

Definitions

  • the invention relates to a magnetic linear drive, in particular for an electrical switch with a coil to which a current can be applied, in the interior of which a magnetic flux can be generated by the current in an axial direction.
  • Such a magnetic linear drive is known for example from GB 10 68 610.
  • the drive described there is a drive for a valve in which a liquid channel is blocked or opened by means of the movement of an armature.
  • the armature has a permanent magnet there, the magnetic flux of which is oriented in the interior in the direction of movement of the armature and perpendicular to the axial direction.
  • the armature moves against mechanical stops in such a way that one pole of the permanent magnet comes into contact with the stop and that the permanent magnet is held on the stop by the magnetic effect.
  • the magnetic effect of the current must first overcome the holding force of the permanent magnet at the stop. This manifests itself in a delay in the armature acceleration.
  • the armature is only pulled to the stop immediately before it reaches the stop when it moves toward an end position, since the air gap between the pole of the permanent magnet and the stop surface is only sufficiently reduced towards the end of the movement.
  • the present invention has for its object to provide a magnetic linear drive of the type mentioned, which achieves an instantaneous acceleration of the armature with little design effort and little control effort.
  • the magnetic linear drive is provided with an armature which can only be moved perpendicularly to the axial direction and which has a magnetically active part whose movement path passes through or on through an air gap within a core passing through the coil leads past an end face of the core, the magnetically active part being unmagnetized or magnetized in such a way that the magnetic flux within the magnetically active part runs parallel or parallel to the axial direction.
  • a magnetically active part of an armature which is, for example, ferromagnetically unmagnetized or magnetized, in particular permanently magnetized in a direction antiparallel to the direction of the magnetic flux of the coil, is accelerated towards the inside of the coil.
  • the magnetic linear drive can advantageously be used as a switch drive for an electrical switch, for example a high-voltage circuit breaker or a vacuum switch.
  • the armature is in an end position of its movement path in such a way that when the coil current is switched on, the magnetic flux of the coil passes through the magnetically active part to a small extent, this leads to the armature being accelerated towards the center of the coil until a maximum part of the magnetic flux of the coil passes through the magnetically active part.
  • the current flow through the coil is interrupted by means of a control device, so that the armature, due to its dynamic energy and the dynamic energy of the driven masses, continues to move beyond the coil without the magnetic flux of the coil through the Action on the magnetically active part can brake the armature.
  • a desired acceleration profile of the armature can be achieved, for example, in that the air gap between the core and the path of movement of the magnetically active part is of different width along the path of movement. The smaller the air gap in a certain area along the movement path, the greater the force acting on the armature in this area.
  • a drive rod of an electrical switch is connected to the armature and in turn drives a switch contact of an interrupter unit.
  • Mechanical stops can be realized in the area of the shift rod or in the area of the linear drive itself.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the magnetically active part is magnetized and that in at least one end position of the magnetically active part it is at least partially arranged in the region of a yoke body arranged outside the coil in such a way that it moves out of the electrically active part into this entering magnetic flux at least in part directly through a boundary surface of the yoke body facing the magnetically active part.
  • the boundary surface is advantageously oriented essentially perpendicular to the axial direction.
  • the magnetically active part is magnetized, for example as an electromagnet, or is permanently magnetized, the magnetic flux of the magnetically active part tends to reduce an air gap to an adjacent yoke body as much as possible.
  • At least one yoke body is arranged in the end region of the movement path of the armature, into which the magnetic flux of the magnetically active part can enter at least over part of the length of the magnetically active part.
  • a force effect thus takes place on the armature, which tends to produce as large an overlap as possible between the magnetically active part and the yoke body in such a way that as much as possible the entire magnetic flux of the magnetically active part in the yoke body by means of one arranged as perpendicular as possible to the axial direction Boundary surface can occur.
  • the force effect in the direction of the movement path of the armature is essentially independent of the extent to which the magnetically active part and the yoke body overlap.
  • Such an arrangement can advantageously be implemented for both end positions of the magnetically active part or of the armature.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the coil with respect to the path of movement of the magnetically active part is opposite a second coil which can be acted upon by a current in the same direction as the first coil.
  • a correspondingly larger magnetic flux can be generated by two coils combined in the manner shown, which leads to a greater potential acceleration of the armature.
  • first and the second coil are offset from one another in the direction of movement of the armature. Such an offset of the coils in the direction of movement of the armature relative to one another enables a specific acceleration profile to be achieved along the movement path.
  • each of the coils is used for one of the directions of movement of the armature.
  • two yoke bodies are provided which lie opposite one another with respect to the movement path of the magnetically active part and which form air gaps between them which are at least partially penetrated by the movement path of the magnetically active part.
  • a further yoke body which lies opposite the first yoke body with respect to the path of movement of the magnetically active part, closes the magnetic circuit both for the flow through the coil and for the flow of the magnetically active part in each of the end positions, so that a large force is exerted in each case is achieved both for the acceleration and for the holding force in the end positions.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a plurality of chargeable charging capacitors and, in some cases jointly or alternatively, connectable charging capacitors are provided in the control device.
  • the different charging capacitors can be used for different switching cases (for example, different load cases of a circuit breaker to be driven) or differently for switching on and off.
  • the invention also relates to a method for operating a magnetic linear drive, provided in the is that the coil for driving the armature in different
  • a current of the same direction is applied to each direction.
  • the armature Regardless of the end position of the armature or the magnetically active part, it is accelerated towards the inside of the coil when a magnetic flux is generated inside the coil. If the current through the coil is interrupted in time, the armature moves to the other end position. This considerably simplifies the control of the coil.
  • the method according to the invention can advantageously be designed in that the application of a current is ended before the magnetically active part has reached its end position.
  • Another advantageous embodiment provides that the current flow through the coil is interrupted as soon as the supply voltage reverses its sign due to an electrical oscillation process.
  • the coil represents an electrical inductance and an ohmic resistance and is normally fed by a capacitance, an electrical resonant circuit results in the control of the linear drive. This leads to the generation of an electrical oscillation, so that the supply voltage applied to the coil reverses its sign at some point.
  • the supply voltage is advantageously monitored and the current flow through the coil is interrupted as soon as the supply voltage reverses its sign.
  • the current flow is diverted to a charging capacitor as soon as the supply voltage reverses its sign due to an electrical oscillation process.
  • a further advantageous embodiment of a method for operating a linear drive according to the invention provides that a current is first generated in the coil, the resulting magnetic flux in the coil of which is directed antiparallel to magnetization of the magnetically active part, provided that it is magnetized, and that after the magnetically active part has reached the location of the greatest magnetic field strength of the coil on its path of movement, the direction of current through the coil is reversed.
  • the armature is first accelerated while being pulled towards the inside of the coil. After the magnetically active part has reached the location of the greatest magnetic field strength within the coil, it would be braked if the current continued to flow through the coil. If the direction of the current in the coil (s) is reversed at this point in time, the magnetically active part is pressed to areas of lower magnetic field strength, that is to say to the outside of the coil. As a result, the armature continues to act as a force, so that larger external loads can also be overcome. This effect occurs even without an initial magnetization of the magnetically active part due to the residual magnetization after passing through the first phase of the movement. For the reversal of the current direction, a suitable dimensioning of the charging capacitors of the coils is appropriate, the oscillation behavior with a suitable time constant in the oscillating circuit formed from the capacitor and the coil
  • Consequence This automatically reverses the coil current at the appropriate time.
  • An electronic control can also be provided for this.
  • FIG. 2 shows a control circuit for the coil of the linear drive
  • FIG. 3 shows schematically the energy supply for the linear drive.
  • FIG. 1 shows a magnetic linear drive, with an armature 1, which consists of a rod 2 made of glass fiber reinforced plastic and a magnetically active part 3 made of a permanent magnetic material and to which a switching rod 4 is coupled at one end, which is only shown schematically and is connected to a drivable switch contact 5 of the interrupter unit of a high-voltage circuit breaker.
  • the linear drive generates movements in the direction of the double arrow 6.
  • the armature 1 moves in the air gap 7 between a first yoke body 8 and a second yoke body 9, which opposite each other in mirror image with respect to the path of movement of the armature 1.
  • Each of the yoke bodies has an annular recess, into each of which a coil 10, 11 is introduced.
  • the coils 10, 11 are each provided with electrical connections and a current can be applied to them by means of a control device.
  • the current direction is, for example, such that the current runs into the drawing plane in the upper part of the coil 10 and the current emerges from the drawing plane in the lower part of the coil as through point 12 is illustrated.
  • part 16 of the magnetic flux 13 of the coils 10, 11 already passes through an edge region of the magnetically active part 3 of the armature.
  • the remaining part of the magnetic flux 13 of the coils 10, 11 must overcome the wide air gap between the cores 14, 15, which is not bridged by the GRP body of the armature 1. Accordingly, the magnetic flux has the tendency to accelerate the magnetically active part 3 in the illustration downward, so that the magnetic flux 13 of the coils 10, 11 passes through the magnetically active part 3 as long as possible and antiparallel to that in the The magnetic flux 17 prevailing inside the magnetically active part 3 runs.
  • the current flow through the coils 10, 11 is interrupted in order to prevent the magnetic part from braking when it exits from the flow 13 of the coils 10, 11 .
  • the armature continues to move due to the dynamic energy until a second end position 36 of the magnetically active part 3, shown in broken lines, is reached.
  • the magnetic flux 17 within the magnetically active part 3 tends to enter and exit one of the yoke bodies 8, 9 via the smallest possible air gap.
  • a part of the magnetic flux 17 inside the magnetically active part 3 can directly into the yoke body 8 enter through the boundary surface 35, the flow being closed via the second yoke body 9 with the interposition of the unavoidable air gaps, so that the magnetic flux can reenter the magnetically active part 3 from there.
  • the magnetic force effect on the armature 1 is largely independent of the extent to which the magnetically active part 3 already overlaps the part of the yoke body 8 above the coil 10. Therefore, the holding force on the armature in the end position is largely independent of mechanical tolerances.
  • both yoke bodies 8, 9 are profiled in the area of the cores 14, 15 along the movement path of the magnetically active part in such a way that the air gap between the armature 3 and the yoke bodies 8, 9 widens upwards . This means that the force acting on the magnetically active part 3 decreases during its upward movements. In this way, when the interrupter unit is switched off at the beginning of the movement, a high loading acceleration and towards the end a weakening
  • FIG. 2 shows a control circuit with a charging capacitor 19 which can be connected to the coil 22 within the magnetic linear drive via a first IGBT (insulated-gate bipolar transistor) 20 and a second IGBT 21. With 23 the ohmic resistance of the coil 22 and its supply lines is symbolically designated.
  • IGBT insulated-gate bipolar transistor
  • the capacitor 19 discharges, the voltage at the coil 22 drops and a counter voltage is induced there, which tends to maintain the current strength of the current 24.
  • the counter voltage on the coil 22 is opposite to the supply voltage, so that there is a voltage zero crossing.
  • the IGBTs 21, 22 are switched off, ie they block the current. The induced by the voltage inside the coil 22
  • FIG. 3 shows schematically the energy supply of a linear drive via three different control units 31, 32, 33, each of which has its own charging capacitor, the charging capacitors being able to have different capacities. As a result, a different amount of energy in the form of electrical field energy stored in the charging capacitors is made available for different switching cases.
  • the different controls 31, 32, 33 can also be used for quickly switching off-on-off circuits

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Abstract

Bei einem magnetischen Linearantrieb ist eine Spule (10, 11) vorgesehen, in deren Innerem durch einen Strom in einer Axialrichtung (34) ein magnetischer Fluss (13) erzeugbar ist mit einem Anker (1), der ausschliesslich senkrecht zu der Axialrichtung (34) beweglich ist und der einen magnetisch aktiven Teil (3) aufweist, der insbesondere antiparallel zu der Axialrichtung (34) magnetisiert ist. Der Anker wird durch einen Stromstoss angetrieben, der unabhängig von der Startposition des magnetisch aktiven Teils (3) diesen zur Spulenmitte hin beschleunigt.

Description

Beschreibung
Magnetischer Linearantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Linearantrieb, insbesondere für einen elektrischen Schalter mit einer mit einem Strom beaufschlagbaren Spule, in deren Innerem durch den Strom in einer Axialrichtung ein magnetischer Fluß erzeugbar ist.
Ein derartiger magnetischer Linearantrieb ist beispielsweise aus der GB 10 68 610 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Antrieb handelt es sich um einen Antrieb für ein Ventil, bei dem mittels der Bewegung eines Ankers ein Flüssigkeitskanal abgesperrt oder geöffnet wird.
Der Anker weist dort einen Permanentmagneten auf, dessen magnetischer Fluß in seinem Inneren in der Bewegungsrichtung des Ankers und senkrecht zu der Axialrichtung ausgerichtet ist.
In seinen Endstellungen fährt der Anker jeweils gegen mechanische Anschläge derart, daß jeweils ein Pol des Dauermagneten mit dem Anschlag in Berührung kommt und daß durch die ma- gnetische Wirkung des Dauermagneten dieser an dem Anschlag gehalten wird.
Wird die Spule mit einem Strom beaufschlagt, so muß die magnetische Wirkung des Stroms zunächst die Haltekraft des Per- manentmagneten am Anschlag überwinden. Dies äußert sich in einer Verzögerung der Ankerbeschleunigung. Außerdem wird der Anker bei seiner Bewegung zu einer Endstellung hin erst unmittelbar vor Erreichen des Anschlages zum Anschlag gezogen, da der zwischen dem Pol des Permanentmagneten und der Anschlagsfläche befindliche Luftspalt erst zum Ende der Bewegung hin genügend verkleinert ist.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Linearantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine unverzögerte Beschleunigung des Ankers bei geringem konstruktivem Aufwand und geringem Steuerungsaufwand erreicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der magnetische Linearantrieb, mit einem Anker versehen ist, der ausschließlich senkrecht zu der Axialrichtung beweglich ist und der einen magnetisch aktiven Teil aufweist, dessen Bewe- gungsbahn durch einen Luftspalt innerhalb eines die Spule durchsetzenden Kernes hindurch oder an einer Stirnseite des Kernes vorbeiführt, wobei der magnetisch aktive Teil unmagne- tisiert ist oder derart magnetisiert ist, daß der magnetische Fluß innerhalb des magnetisch aktiven Teils parallel oder an- tiparallel zu der Axialrichtung verläuft.
Wird die Spule mit einem Strom beaufschlagt, so wird in ihrem Inneren in der Axialrichtung ein magnetischer Fluß erzeugt, der innerhalb des Kerns verläuft und im Bereich des Luftspal- tes aus dem Kern austritt. Ein magnetisch aktiver Teil eines Ankers, der beispielsweise ferromagnetisch unmagnetisiert oder magnetisiert, insbesondere dauermagnetisiert in einer Richtung antiparallel zu der Richtung des magnetischen Flusses der Spule ist, wird zum Spuleninneren hin beschleunigt. Ein Magnet, dessen innerer magnetischer Fluß parallel zum Fluß der Spule ausgerichtet ist, wird aus dem Inneren der Spule heraus abgestoßen. Dieser Effekt wird zum Antrieb des Ankers ausgenutzt. Insbesondere dann, wenn der magnetisch aktive Teil ferroma- gnetisch oder als Dauermagnet in antiparalleler Richtung zu der Axialrichtung magnetisiert ist, kann der magnetische Li- nearantrieb vorteilhaft als Schalterantrieb für einen elektrischen Schalter, beispielsweise einen Hochspannungslei- stungsschalter oder einen Vakuumschalter, verwendet werden.
Befindet sich der Anker in einer Endposition seiner Bewe- gungsbahn derart, daß beim Einschalten des Spulenstromes der magnetische Fluß der Spule zu einem geringen Anteil durch den magnetisch aktiven Teil hindurchtritt, so führt dies dazu, daß der Anker zur Spulenmitte hin beschleunigt wird, bis ein maximaler Teil des magnetischen Flusses der Spule durch den magnetisch aktiven Teil hindurchtritt. Während der Bewegung des Ankers wird der Stromfluß durch die Spule mittels einer Steuereinrichtung unterbrochen, so daß der Anker aufgrund seiner dynamischen Energie und der dynamischen Energie der angetriebenen Massen sich über die Spule hinaus weiter be- wegt, ohne daß der magnetische Fluß der Spule durch die Einwirkung auf den magnetisch aktiven Teil den Anker abbremsen kann.
Auf diese Weise ist eine optimale Beschleunigung des Ankers zu Beginn der Bewegung gewährleistet.
Ein gewünschtes Beschleunigungsprofil des Ankers kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Luftspalt zwischen dem Kern und der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils entlang der Bewegungsbahn unterschiedlich breit ausgebildet wird. Je geringer der Luftspalt in einem bestimmten Bereich entlang der Bewegungsbahn ist, desto größer ist die Kraftwirkung auf den Anker in diesem Bereich. Mit dem Anker ist beispielsweise eine Antriebsstange eines elektrischen Schalters verbunden, die ihrerseits einen Schaltkontakt einer Unterbrechereinheit antreibt.
Mechanische Anschläge können im Bereich der Schaltstange oder im Bereich des Linearantriebs selbst realisiert sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der magnetisch aktive Teil magnetisiert ist und daß in wenigstens einer Endposition des magnetisch aktiven Teils dieser wenigstens teilweise derart im Bereich eines außerhalb der Spule angeordneten Jochkörpers angeordnet ist, daß der aus dem elektrisch aktiven Teil aus- oder in diesen eintretende magnetische Fluß wenigstens zum Teil unmittelbar durch eine dem magnetisch aktiven Teil zugewandte Begrenzungsfläche des Jochkörpers hindurchtritt.
Die Begrenzungsfläche ist vorteilhaft im wesentlichen senk- recht zu der Axialrichtung ausgerichtet.
Für den Fall, daß der magnetisch aktive Teil magnetisiert, beispielsweise als Elektromagnet, oder dauermagnetisiert ist, hat der magnetische Fluß des magnetisch aktiven Teils die Tendenz, einen Luftspalt zu einem benachbart angeordneten Jochkörper möglichst zu verringern.
Im Endbereich der Bewegungsbahn des Ankers ist wenigstens ein Jochkörper angeordnet, in den der magnetische Fluß des magne- tisch aktiven Teils wenigstens auf einem Teil der Länge des magnetisch aktiven Teils eintreten kann. Auf den Anker findet somit eine Kraftwirkung statt, die bestrebt ist, eine möglichst große Überlappung zwischen dem magnetisch aktiven Teil und dem Jochkörper zu erzeugen derart, daß möglichst der gesamte magnetische Fluß des magnetisch aktiven Teils in den Jochkörper durch eine möglichst senkrecht zu der Axialrichtung angeordnete Begrenzungsfläche eintreten kann. Die Kraftwirkung in Richtung der Bewegungsbahn des Ankers ist im wesentlichen unabhängig davon, wieweit der magnetisch aktive Teil und der Jochkörper überlappen.
Hierdurch ist eine von der Stellung des Ankers im Endbereich der Bewegung im wesentlichen unabhängige Haltekraft realisiert, die den Anker in einer seiner Endpositionen hält.
Eine derartige Anordnung kann vorteilhaft für beide Endpositionen des magnetisch aktiven Teils bzw. des Ankers realisiert sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Spule bezüglich der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils eine zweite Spule gegenüberliegt, die mit einem Strom in demselben Richtungssinn wie die erste Spule beaufschlagbar ist.
Durch zwei in der dargestellten Weise kombinierte Spulen ist ein entsprechend größerer magnetischer Fluß erzeugbar, was zu einer größeren potentiellen Beschleunigung des Ankers führt.
Außerdem kann vorgesehen sein, daß die erste und die zweite Spule in Bewegungsrichtung des Ankers gegeneinander versetzt sind. Durch einen derartigen Versatz der Spulen in Bewegungsrichtung des Ankers gegeneinander kann ein bestimmtes Beschleunigungsprofil entlang der Bewegungsbahn erreicht werden.
Es kann auch vorgesehen sein, daß jede der Spulen für jeweils eine der Bewegungsrichtungen des Ankers genutzt wird.
Außerdem kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß zwei Jochkörper vorgesehen sind, die einander bezüglich der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils gegenüberliegen und die zwischen sich Luftspalte bilden, die wenigstens teilweise von der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils durchsetzt sind.
Durch einen weiteren Jochkörper, der dem ersten Jochkörper bezüglich der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils gegenüberliegt, wird der magnetische Kreis sowohl für den Fluß durch die Spule als auch für den Fluß des magnetisch aktiven Teils in jeder der Endpositionen geschlossen, so daß jeweils eine große Kraftwirkung sowohl für die Beschleunigung als auch für die Haltekraft in den Endpositionen erreicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in der Steuerungseinrichtung mehrere aufladbare und fallweise gemeinsam oder alternativ mit der Spule verbindbare Ladekondensatoren vorgesehen sind.
Die verschiedenen Ladekondensatoren können für unterschiedliche Schaltfälle (beispielsweise unterschiedliche Belastungsfälle eines anzutreibenden Leistungsschalters) oder unter- schiedlich für eine Ein- und Ausschaltung genutzt werden.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Linearantriebs, bei dem vorgesehen ist, daß die Spule zum Antrieb des Ankers in verschiedene
Richtungen jeweils mit einem Strom gleicher Richtung beaufschlagt wird.
Gleich in welcher Endposition sich der Anker bzw. der magnetisch aktive Teil befindet, wird er bei Erzeugung eines magnetischen Flusses im Inneren der Spule zum Spuleninneren hin beschleunigt. Wird der Strom durch die Spule rechtzeitig unterbrochen, so bewegt sich der Anker bis zu der jeweils ande- ren Endposition. Dies vereinfacht die Ansteuerung der Spule beträchtlich .
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß die Beaufschlagung mit einem Strom be- endet wird, bevor das magnetisch aktive Teil seine Endposition erreicht hat.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß der Stromfluß durch die Spule unterbrochen wird, sobald aufgrund eines elektrischen Schwingungsvorgangs die Speisespannung ihr Vorzeichen umkehrt.
Da die Spule eine elektrische Induktivität sowie einen ohm- schen Widerstand darstellt und im Normalfall durch eine Kapa- zität gespeist wird, ergibt sich ein elektrischer Schwingkreis in der Ansteuerung des Linearantriebs. Dies führt zur Entstehung einer elektrischen Schwingung, so daß die an der Spule anliegende Speisespannung irgendwann ihr Vorzeichen umkehrt .
Dies würde eine Umkehrung des magnetischen Flusses bedeuten, was eine Umkehrung der magnetischen Kraftwirkung auf den magnetisch aktiven Teil bedeuten würde, die ungewollt ist. Da- her wird vorteilhaft die Speisespannung überwacht und der Stromfluß durch die Spule unterbrochen, sobald die Speisespannung ihr Vorzeichen umkehrt.
Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, daß der Stromfluß zu einem Ladekondensator umgeleitet wird, sobald die Speisespannung aufgrund eines elektrischen Schwingungsvorgangs ihr Vorzeichen umkehrt.
Eine weitere vorteilhafte Gestaltung eines Verfahrens zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Linearantriebs sieht vor, dass zuerst ein Strom in der Spule erzeugt wird, dessen resultierender magnetischer Fluss in der Spule antiparallel zu einer Magnetisierung des magnetisch aktiven Teils gerichtet ist, sofern dieses magnetisiert ist, und dass, nachdem das magnetisch aktive Teil auf seiner Bewegungsbahn den Ort der größten Magnetfeldstärke der Spule erreicht hat, die Stromrichtung durch die Spule umgekehrt wird.
Durch Anwendung dieses Verfahrens wird der Anker zunächst beschleunigt, während er zum Spuleninneren gezogen wird. Nachdem das magnetisch aktive Teil den Ort der größten Magnetfeldstärke innerhalb der Spule erreicht hat, würde er, wenn der Strom durch die Spule weiter fließen würde, abgebremst. Kehrt man zu diesem Zeitpunkt die Stromrichtung in der/den Spule (n) um, so wird das magnetisch aktive Teil zu Bereichen geringerer Magnetfeldstärke gedrückt, das heißt zum Spulenäußeren. Dadurch findet eine fortgesetzte Kraftwirkung auf den Anker statt, so dass auch größere äußere Lasten überwunden werden können. Dieser Effekt tritt auch ohne ein anfängliche Magnetisierung des magnetisch aktiven Teils ein aufgrund der Restmagnetisierung nach Durchlaufen der ersten Phase der Bewegung . Für die Umkehrung der Stromrichtung bietet sich eine passende Dimensionierung der Ladekondensatoren der Spulen an, die in dem aus Kondensator und Spule gebildeten Schwingkreis ein Schwingverhalten mit einer geeigneten Zeitkonstanten zur
Folge hat. Dadurch kehrt sich der Spulenstrom selbsttätig zum geeigneten Zeitpunkt um. Hierfür kann auch eine elektronische Steuerung vorgesehen sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigt Figur 1 schematisch im Querschnitt den magnetischen Linearantrieb,
Figur 2 eine Ansteuerungsschaltung für die Spule des Linearantriebs und Figur 3 schematisch die Energieversorgung für den Linearan- trieb.
In der Figur 1 ist ein magnetischer Linearantrieb dargestellt, mit einen Anker 1, der aus einem Stab 2 aus glasfaserverstärktem Kunststoff und einem magnetisch aktiven Teil 3 aus einem dauermagnetischem Werkstoff besteht und an den an einem Ende eine Schaltstange 4 angekoppelt ist, die nur schematisch dargestellt und mit einem antreibbaren Schaltkontakt 5 der Unterbrechereinheit eines Hochspannungsleistungsschal- ters verbunden ist. Der Linearantrieb erzeugt Bewegungen in Richtung des Doppelpfeiles 6.
Der Anker 1 bewegt sich in dem Luftspalt 7 zwischen einem ersten Jochkörper 8 und einem zweiten Jochkörper 9, die ein- ander bezüglich der Bewegungsbahn des Ankers 1 spiegelbildlich gegenüberliegen.
Jeder der Jochkörper weist eine ringförmige Ausnehmung auf, in die jeweils eine Spule 10, 11 eingebracht ist. Die Spulen 10, 11 sind jeweils mit elektrischen Anschlüssen versehen und mittels einer Steuereinrichtung mit einem Strom beaufschlag- bar .
Wird wenigstens eine der Spulen 10, 11 mit einem Strom beaufschlagt, so ist beispielsweise die Stromrichtung derart, daß im oberen Teil der Spule 10 der Strom in die Zeichenebene hineinläuft und im unteren Teil der Spule der Strom aus der Zeichenebene heraustritt wie durch den Punkt 12 veranschau- licht wird.
Hierdurch wird ein magnetischer Fluß in der Axialrichtung 34 erzeugt, der durch die Pfeile 13 dargestellt ist und der durch einen ersten Kern 14 des ersten Jochkörpers 8 innerhalb der Spule 10 und durch einen zweiten Kern 15 des zweiten
Jochkörpers 9 innerhalb der Spule 11 hindurchtritt.
In der dargestellten Endposition des Ankers, in der dieser in nicht dargestellter Weise an einem mechanischen Anschlag ruht, tritt bereits ein Teil 16 des magnetischen Flusses 13 der Spulen 10, 11 durch einen Randbereich des magnetisch aktiven Teils 3 des Ankers hindurch.
Der übrige Teil des magnetischen Flusses 13 der Spulen 10, 11 muß den breiten Luftspalt zwischen den Kernen 14, 15 überwinden, der durch den GFK-Körper des Ankers 1 nicht überbrückt wird. Demgemäß hat der magnetische Fluß die Tendenz, den magnetisch aktiven Teil 3 in der Darstellung nach unten zu beschleunigen, so daß der magnetische Fluß 13 der Spulen 10, 11 auf einer möglichst großen Länge des magnetisch aktiven Teils 3 durch diesen hindurchtritt und antiparallel zu dem im Inneren des magnetisch aktiven Teils 3 herrschenden magnetischen Fluß 17 verläuft.
Wenn der magnetisch aktive Teil 3 etwa in der Mitte der Spu- len 10, 11 angekommen ist, wird der Stromfluß durch die Spulen 10, 11 unterbrochen, um ein Abbremsen des magnetischen Teils beim Austritt aus dem Fluß 13 der Spulen 10, 11 zu verhindern .
Der Anker bewegt sich aufgrund der dynamischen Energie weiter, bis daß eine zweite, gestrichelt dargestellte Endposition 36 des magnetisch aktiven Teils 3 erreicht ist.
In dem Bewegungsbereich vor Erreichen der Endposition hat der magnetische Fluß 17 innerhalb des magnetisch aktiven Teils 3 das Bestreben, über einen möglichst geringen Luftspalt in einen der Jochkörper 8, 9 ein und aus diesem wieder auszutreten.
Die auf den Anker in seinen Endpositionen wirkenden Haltekräfte werden anhand der in der Figur 1 dargestellten oberen Endposition beschrieben.
Wenn der Stromfluß durch die Spulen 10, 11 unterbrochen ist, entfällt der magnetische Fluß 13.
Ein Teil des magnetischen Flusses 17 im Inneren des magnetisch aktiven Teils 3 kann unmittelbar in den Jochkörper 8 durch die Begrenzungsfläche 35 eintreten, wobei der Fluß über den zweiten Jochkörper 9 unter Zwischenschaltung der unvermeidbaren Luftspalte geschlossen wird, so daß von dort der magnetische Fluß wieder in den magnetisch aktiven Teil 3 ein- treten kann .
Die Teile 18 des magnetischen Flusses in dem magnetisch aktiven Teil 3, die in Höhe einer Spulenwicklung 10, 11 liegen, müssen einen breiten Luftspalt überwinden, um in einen Joch- körper 8 einzutreten. Daher besteht in der dargestellten Konstellation das Bestreben, den magnetisch aktiven Teil 3 weiter nach oben zu bewegen, um eine möglichst große Überlappung der Länge des magnetisch aktiven Teils 3 mit dem Teil des Jochkörpers 8 oberhalb der Spule 10 zu erreichen.
Die magnetische Kraftwirkung auf den Anker 1 ist hierbei weitgehend unabhängig davon, wieweit der magnetisch aktive Teil 3 mit dem Teil des Jochkörpers 8 oberhalb der Spule 10 bereits überlappt. Daher ist die Haltekraft auf den Anker in der Endposition weitgehend unabhängig von mechanischen Toleranzen.
Entsprechendes gilt für die andere, gestrichelt dargestellte Endposition des Ankers.
In der Figur 1 ist außerdem dargestellt, daß beide Jochkörper 8, 9 im Bereich der Kerne 14, 15 entlang der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils derart profiliert sind, daß der Luftspalt zwischen dem Anker 3 und den Jochkörpern 8, 9 nach oben hin breiter wird. Dies bedeutet, daß die Kraftwirkung auf den magnetisch aktiven Teil 3 während dessen Bewegungen nach oben abnimmt. Auf diese Weise kann beim Ausschalten der Unterbrechereinheit zum Anfang der Bewegung eine hohe Be- schleunigung und zu deren Ende hin eine schwächer werdende
Beschleunigung erreicht werden. Außerdem ist denkbar, daß beispielsweise die zweite Spule 11 gegenüber der ersten Spule
10 nach unten entlang der Bewegungsbahn des Ankers 1 versetzt ist, so daß bei einem Ausschaltvorgang, d. h. einer Bewegung des Ankers 1 von unten nach oben, zunächst die zweite Spule
11 die Hauptlast der Beschleunigung tragen würde und später die erste Spule 10.
Auch hierdurch läßt sich eine bestimmt Profilierung der Beschleunigung erreichen.
In der Figur 2 ist eine Ansteuerschaltung gezeigt, mit einem Ladekondensator 19, der über einen ersten IGBT (insulated- gate bipolar Transistor) 20 und einen zweiten IGBT 21 mit der Spule 22 innerhalb des magnetischen Linearantriebs verbindbar ist. Mit 23 ist der ohmsche Widerstand der Spule 22 und ihrer Zuleitungen symbolisch bezeichnet.
Werden die IGBT's 20, 21 durchgeschaltet, so fließt ein Strom durch die Spule 22 in Richtung des mit 24 bezeichneten Pfeiles. Dieser fließt durch den ersten IGBT 20 und weiter entlang der Pfeile 25, 26, 27.
Entlädt sich der Kondensator 19, so sinkt die Spannung an der Spule 22 und es wird dort eine Gegenspannung induziert, die bestrebt ist, die Stromstärke des Stromes 24 aufrecht zu erhalten. Die Gegenspannung an der Spule 22 ist der Speisespannung entgegengesetzt, so daß sich ein Spannungsnulldurchgang ergibt. Zu diesem Zeitpunkt werden die IGBT's 21, 22 ausgeschaltet, d. h. sie sperren den Strom. Der durch die Spannung innerhalb der Spule 22 induzierte
Strom fließt über die Dioden 28, 29 in Richtung des Pfeiles 30 zu dem Kondensator 19 zurück und lädt diesen teilweise wieder auf. Dadurch wird Energie beim Betrieb des Linearan- triebs gespart, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn ein mit diesem angetriebener Hochspannungsschalter im Notbetrieb mittels Batterien betrieben werden muß.
Die Figur 3 zeigt schematisch die Energieversorgung eines Li- nearantriebs über drei unterschiedliche Ansteuerungseinheiten 31, 32, 33, von denen jede einen eigenen Ladekondensator aufweist, wobei die Ladekondensatoren unterschiedliche Kapazitäten haben können. Hierdurch wird für unterschiedliche Schaltfälle jeweils eine unterschiedliche Energiemenge in Form von in den Ladekondensatoren gespeicherter elektrischer Feldenergie zur Verfügung gestellt.
Die unterschiedlichen Ansteuerungen 31, 32, 33 können auch für schnell aufeinander folgende Aus-Ein-Aus-Schaltungen ge- nutzt werden

Claims

Patentansprüche
1. Magnetischer Linearantrieb, insbesondere für einen elektrischen Schalter, mit einer mit einem Strom beaufschlagbaren Spule (10,11), in deren Innerem durch den Strom in einer
Axialrichtung (34) ein magnetischer Fluß (13) erzeugbar ist, mit einem Anker (1) , der ausschließlich senkrecht zu der Axialrichtung (34) beweglich ist und der einen magnetisch aktiven Teil (3) aufweist, dessen Bewegungsbahn durch einen Luftspalt (7) innerhalb eines die Spule (10,11) durchsetzenden Kernes (14,15) hindurch oder an einer Stirnseite des Kernes (14,15) vorbeiführt, wobei der magnetisch aktive Teil (3) unmagnetisiert ist oder derart magnetisiert ist, daß der magnetische Fluß (17) innerhalb des magnetisch aktiven Teils (3) parallel oder antiparallel zu der Axialrichtung (34) verläuft.
2. Magnetischer Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der magnetisch aktive Teil (3) magnetisiert ist und daß in wenigstens einer Endposition des magnetisch aktiven Teils (3) dieser wenigstens teilweise derart im Bereich eines außerhalb der Spule angeordneten Jochkörpers (8,9) angeordnet ist, daß der aus dem elektrisch aktiven Teil (3) aus- oder in diesen eintretende magnetische Fluß (17) wenigstens zum Teil unmittelbar durch eine dem magnetisch aktiven Teil zugewandte Begrenzungsfläche (35) des Jochkörpers hindurchtritt.
3. Magnetischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Spule (10) bezüglich der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils (3) eine zweite Spule (11) gegenüberliegt, die mit der ersten Spule (10) mit einem Strom in demselben Richtungssinn wie die erste Spule (10) beaufschlagbar ist.
4. Magnetischer Linearantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste und die zweite Spule (10,11) in Bewegungsrichtung des Ankers (1) gegeneinander versetzt sind.
5. Magnetischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei Jochkörper (8,9) vorgesehen sind, die einander bezüglich der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils (3) gegenüberliegen und die zwischen sich Luftspalte (7) bilden, die we- nigstens teilweise von der Bewegungsbahn des magnetisch aktiven Teils (3) durchsetzt sind.
6. Magnetischer Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Steuerungseinrichtung , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Steuerungseinrichtung (31,32,33) mehrere aufladbare und fallweise gemeinsam oder alternativ mit einer Spule verbindbare Ladekondensatoren (19) vorgesehen sind.
7. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Linearantriebs nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spule (10,11) zum Antrieb des Ankers (1) in verschiedene
Richtungen jeweils mit einem Strom gleicher Richtung beauf- schlagt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Beaufschlagung mit einem Strom beendet wird, bevor das magnetisch aktive Teil (3) seine Endposition erreicht hat.
9 Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stromfluß durch die Spule (10,11) unterbrochen wird, sobald aufgrund eines elektrischen Schwingungsvorgangs die Speisespannung ihr Vorzeichen umkehrt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stromfluß zu einem Ladekondensator (19) umgeleitet wird, sobald die Speisespannung aufgrund eines elektrischen Schwin- gungsvorgangs ihr Vorzeichen umkehrt.
11. Verfahren zum Betrieb eines magnetischen Linearantriebes nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zuerst ein Strom in der Spule (10,11) erzeugt wird, dessen resultierender magnetischer Fluss in der Spule (10,11) antiparallel zu einer Magnetisierung des magnetisch aktiven Teils (3) gerichtet ist, sofern dieses magnetisiert ist, und dass, nachdem das magnetisch aktive Teil (3) auf seiner Bewegungsbahn den Ort der größten Magnetfeldstärke der Spule (10,11) erreicht hat, die Stromrichtung durch die Spule (10,11) umgekehrt wird.
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