EP1430490B1 - Elektromagnetischer aktuator - Google Patents
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- EP1430490B1 EP1430490B1 EP02779327.2A EP02779327A EP1430490B1 EP 1430490 B1 EP1430490 B1 EP 1430490B1 EP 02779327 A EP02779327 A EP 02779327A EP 1430490 B1 EP1430490 B1 EP 1430490B1
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Definitions
- the invention relates to an electromagnetic actuator, in particular an electromagnetic drive for a switching device, according to the preamble of claim 1.
- FIG. 1 shows in principle such a known electromagnetic drive 10, which has a circumferential yoke 11, which has two parallel longitudinal webs 12 and 13 and in each case a transverse web 14 and 15. Approximately in the middle of the longitudinal webs 12 and 13 have opposite pole pieces 16 and 17, to which permanent magnets 18 and 19 are attached. Between the permanent magnets 18 and 19 is an armature 20 to which a rod 21 and 22 is mounted or attached from non-magnetic material, which each passes through an opening 23 and 24 in the transverse webs 14 and 15. There is a coil 25, 26 depending on the excitation of the coil 25 or 26, the armature 20 in the in.
- only the rod 21 is provided; the rod 22 is not required for an electromagnetic drive for a vacuum chamber and could at most serve to guide the armature 20.
- the force with which the armature 20 is attracted to the lower or upper crossbar depends on the effective area.
- the object of the invention is to further improve an electromagnetic actuator of the type mentioned. This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
- the force with which the anchor (s) are attracted by the yoke is also significantly increased by increasing the effective area.
- a drive 30 other than the invention has two elongate yoke members 31 and 32 which are aligned parallel to one another. Approximately in the middle, both yoke parts 31 and 32 have pole shoes 33 and 34 which, as projections, are assigned to one another; on the inner surface of the pole pieces 33 and 34 permanent magnets 35 and 36 are fixed. Between the permanent magnets 35 and 36 is a yoke element 37 of magnetic Material, which is assigned to the two yoke parts 31 and 32 stationary.
- the yoke element 37 has a central bore 38, which is aligned parallel to the course of the yoke parts 31 and 32 and parallel to the course of the yoke element and there sits centrally in the yoke element 37.
- the bore 38 is penetrated by a rod 39 made of non-magnetic material, are secured to the armature 40 and 41.
- the armatures 40 and 41 cover the adjacent end faces of the yoke parts 31 and 32.
- the Fig. 2 shows the electromagnetic drive, in which the armature 41 abuts against the end faces 43 a and 43 b of the yoke parts 31 and 32.
- the armature 40 is attracted to the end faces 42 a and 42 b of the yoke and there are also three air gaps (without reference numerals): the air gaps between the armature 40 and the end faces 42 a and 42 b and the air gap between the armature 40 and the yoke element 37.
- the holding force by a factor "(area at the air gap 50 + area at the air gap 51 + surface at the air gap 52) divided by - area at the air gap 50" increased to a maximum of 100 %.
- Both armatures 40 and 41 move due to their connection with the rod 39 at the same speed and are adapted to each other, that the distance between the armatures 40, 41 and the associated end faces on the yoke and the yoke element in both positions is alternately the same.
- the distance between the armature 41 and the yoke members 31 and 32 and the inference element 37 could be different from the distance of the armature 40 from the yoke members 31 and 32 and the yoke member 37, as required.
- the Fig. 3 shows a further embodiment of the invention except.
- the drive 55 has two yoke members 56 and 57 which, in addition to the recesses 44 and 45 (which are to have the same reference number to represent similarity), have further recesses 58 and 59 in which the armatures 40 and 41, respectively, are received;
- an air gap 64 or 65 is formed between the outer peripheral surface of the armature 41 and the arms 62 and 63; corresponding air gaps 66 and 67 are also located between the arms 60 and 61 and the armature 40.
- the force is increased at larger distances of the armature 40 of the yoke members 56 and 57, which can be varied depending on the task and requirement of the distance d.
- the Fig. 4 shows a graphical representation of the tightening force F on the path of movement W of the anchor.
- the solid line L 1 shows the force path of the embodiment Fig. 1 .
- the tightening force is F 1 for the anchor in the Fig. 1 shown position and F 2 for the other position.
- the dashed line L 2 shows the force path for the embodiment according to Fig. 2 , It can be seen that in each tightened state, a force F 2 is measured, which is about twice as large as the force F 1 ; she crosses the line L 1 or L 2, what is on it is due to the fact that the tightening force at a certain distance is smaller than the tightening force in the embodiment according to Fig. 1 ,
- the third line L 3 is above the line L 2 in the positive and in the negative region; the tightening force F 3 corresponds approximately to the tightening force F 2 and unlike the course of the line L 2, the tightening force is not as steep as the tightening force according to the line L 2 which brings the advantage of higher working capacity. It can be seen that the two gaps 64 and 65 or 66 and 67 contribute to an improvement in the force-displacement line.
- the drive 70 excluded from the invention ( Fig. 5 ) is different in construction to the drive according to the Fig. 3 ,
- the two yoke parts 31 and 32 are encompassed at both ends by a respective C-shaped body 71, 72, wherein the mutually facing free ends of the armature 71 and 72 each have an air gap 77, 78 and 79 and 80 with the associated outer surface of the two yoke parts 31st , 32 form.
- the Fig. 7 shows a variant according to the invention of the arrangement of Fig. 3 ,
- the drive 90 has two U-shaped anchors 91 and 92, which engage behind a recess 93 and 94 and 95 and 96 with arms 97, 98 and 99 and 100, respectively.
- FIG. 8 A variant according to the invention of the arrangement according to Fig. 7 show the Fig. 8 ,
- the yoke parts have recesses 101, 102 and 103 and 104.
- the associated armature 105 and 106 are approximately U-shaped with legs 107, 108 and 109 and 110, which engage in the recesses 101, 102 and 103, 104.
- the armatures 105, 106 have the legs 107, 108 and 109, 110 projecting extensions 111, 112, 113 and 114, with the associated end faces of the Jöchteile 115 and 116 for forming an air gap 117 and 118 between the armature 113th and the yoke parts 115, 116 and the armature 111 and the corresponding end surfaces of the yoke parts 115 and 116 form.
- the Fig. 9 shows a further embodiment of the invention except with two anchors.
- the drive has the total reference numeral 120 and includes two yoke parts 121 and 122, which have an E-shape with legs 123 and 124 and 125 and 126 in the region of their free ends and in the middle between each serving as a pole piece web 127 and 128.
- On the inner surfaces of the webs 127 and 128 are the permanent magnets 129 and 130.
- On both sides of the webs between the legs 123 and the webs 127 and 125 and 127 and 124 and 128 or 126 and 128 coils 131 and 132 are arranged.
- a return element 133 Between the two permanent magnets is a return element 133 with a central bore 134 through which engages a rod 135 of non-magnetic material.
- the free ends of the rods are fixedly connected to T-shaped anchors 136 and 137; the longitudinal web 138 and 139 engages between the coils 131 and 132 at least partially, wherein in the Fig. 9 shown position the free end of the longitudinal web 139 abuts against the adjacent end face of the yoke element 133 and there forms an air gap 140 therewith.
- the transverse webs 141 and 142 then each form an air gap 143 and 144 with the outer surfaces of the legs 125 and 126 or 145 and 146;
- air gaps 147 and 148 or 149 and 150 are provided between the free ends of the legs 125 and 126 and the longitudinal web 139 and between the free ends of the legs 123 and 124 and the longitudinal web 138 air gaps 147 and 148 or 149 and 150 are provided.
- the drives described above always have two armatures, with two coils.
- This monostable arrangement has the advantages of reduced material usage, smaller size and simpler construction.
- the monostable drives of the invention is excluded from the Fig. 10 Referenced.
- the drive 200 described here has two approximately U-shaped yoke parts 201 and 202.
- a coil 205 is inserted;
- the drive 200 further has a T-shaped armature which corresponds to the armature 136 and bears the reference numeral 206 here.
- An. A crossbar 207, a longitudinal rib 208 is formed, which engages between the other legs 209 and 210 and partially in the coil 205.
- a yoke element 212 is provided at the bottom in the drawing legs 201 and 202.
- a plurality of air gaps are provided: on the one hand between the transverse web 207 and the outer surfaces of the legs 209 and 210, then between the free ends of the legs 209 and 210 and the longitudinal web 208 and between the free end face of the longitudinal web 208 and the yoke element.
- the Fig. 11 shows a drive 220 except of the invention with a U-shaped yoke 221.
- a permanent magnet 223 is attached, and to this permanent magnet 223, a return element 224 is fixed, thereby forming an E-shape with the Legs 225 and 226, wherein the return element 224 is included together with the permanent magnet 223 as a center leg of a coil 227.
- an armature 228 is provided, which is C-shaped, wherein between the facing each other leg ends 229 of the C-shape and the outer surface of the leg 225 and 230 and 226 and between the free ends of the legs 225 and 226 and the yoke element 224th and the armature each an air gap is formed.
- the drive 231 has a U-shaped yoke 232, at whose leg ends recesses 233 and 234 are provided; in those return jumps engages an elongated planar armature 235, whereby on the one hand between the outer peripheral surface of the armature 235 and the recess 233 and 234 and the broad side surface of the armature 235 and the gradations 236 and 237 and the yoke element 224 is formed in each case an air gap.
- Fig. 13 In the embodiment of the invention except according to Fig. 13 is the difference from that of Fig. 11 stand in that the armature 240 is U-shaped and with its legs 241 and 242, the legs 225 and 226 of the yoke 222 includes.
- the Fig. 14 shows a single-coil drive according to the invention, in which the yoke 250 is U-shaped, legs 251 and 252 of the formation of the end faces or ends of the yokes 115 and 116 of the Fig. 8 same; because the anchor has the same shape as that of the drive to Fig. 8 , has the in Fig. 14 illustrated anchor the same reference numeral 105.
- the Fig. 15 corresponds to the embodiment according to the invention according to the Fig. 7 , so that is pointed to the local description.
- the difference is that the yoke 260 formed with its legs 261 and 262 U-shaped and the free leg ends have a recess 263 and 264, in which the armature 91 in the in Fig. 7 engages in the manner illustrated.
- the embodiments of the invention except according to the FIGS. 16 to 20 which lacks a permanent magnet have substantially a three-legged, E-shaped yoke, with a coil comprising the inner leg; the here provided anchor is either U-shaped and engages in a recess on the outside; in the embodiment of the Fig. 19 engage two extensions between the outer legs in an inner recess (see Fig. 14 ), and in the execution of the Fig. 18 the anchor is an elongated flat component.
- FIG. 21 The perspective view of the invention except according to Fig. 21 comes according to the execution Fig. 9 Near; these are opposite yoke parts 121 and 122, with the coils 131 and 132 and the anchors 136 and 137; in between is, as from the Fig. 21 shown, the return element 133. Between the two anchors 136 and 137, the rod 135 is disposed of non-magnetic material.
- a two-arm and two-coil drive is shown, the execution according to Fig. 9 is equal, wherein the armature 137 according to Fig. 9 is replaced by an anchor 270, so that the air gaps 271 and 272 between the adjacent legs 273 and 274 and the anchor 270 must be given appropriate attention.
- the drive has the two E-shaped yoke parts 277 and 278; the armature 279 is T-shaped.
- the armature 279 corresponds to the armature 136th
- the embodiment according to the Fig. 24 shows the application of a drive with a coil 300 and two U-shaped yoke members 301 and 302. At the free ends of the legs 304 and 306 permanent magnets 307 and 308 are fixed and therebetween there is a return element 309, which of a rod 310 in a central bore 311 is engaged and in the region of the coil 300 is connected to a T-shaped anchor, which bears the reference numeral 136, to show that the configuration is similar to the embodiment according to Fig. 9 , with the difference that only one coil is provided.
- the rod 310 is connected via the spring element 311 with the movable contact stem 312 a vacuum interrupter chamber 313, wherein the free end of the rod 310 has an extension 314 which is trapped in a catcher 315, wherein between the extension 314 and the bottom 316, a spring 317 is arranged, which serves as a contact pressure spring.
- the vacuum chamber is constructed in a conventional manner: It has a cylindrical body 318 made of ceramic, which is closed at its two front ends in each case by a lid 319 and 320.
- the protruding into the cylinder 313 end of the contact stem 312 carries the movable contact piece 321 and between the lid 320 and the movable contact piece 323 is a Fallowsbalg 322 is arranged, which is connected on the one hand to the lid 320 and the other hand with the contact piece 321 vacuum-tight.
- the lid 319 is vacuum-tightly penetrated by a fixed contact stem 323, at the free end of the fixed contact piece 324 is attached.
- 325 denotes a current supply or discharge; that which is connected to the movable contact stem 312 is not shown; It is formed for example by a movable copper strand band.
- the rod has a plate 326 attached thereto; on this plate 326 engages one end of a compression spring 327, the other end is supported on a stationary plane. If the contact pieces 321 and 324 are to be brought into closed position, then the coil 300 is energized, so that the armature 136 is drawn into the interior of the two yoke members 301 and 302, according to arrow direction P. As a result, the spring 327 is compressed and thus stores energy , The contact pressure spring 317 is applied to the contact pieces 321 and 324 a certain contact force.
- the coil 300 When the switch is to be turned off, the coil 300 is energized in the reverse current direction. As a result, the armature is moved counter to the direction of arrow P. This is supported by the spring 327, which is an energy storage spring.
- a drive which has only one coil.
- any drive can be provided in the FIGS. 1 to 23 is shown, that is also a drive with two coils.
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator, insbesondere einen elektromagnetischen Antrieb für ein Schaltgerät, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Derartige elektromagnetische Antriebe sind unter anderem aus der
WO 95/07542 Fig. 1 zeigt im Prinzip einen derartigen bekannten elektromagnetischen Antrieb 10, der ein umlaufendes Joch 11 aufweist, das zwei parallel verlaufende Längsstege 12 und 13 sowie jeweils einen Quersteg 14 und 15 aufweist. Etwa in der Mitte besitzen die Längsstege 12 und 13 sich gegenüberliegende Polschuhe 16 und 17, an denen Permanentmagnete 18 und 19 befestigt sind. Zwischen den Permanentmagneten 18 und 19 befindet sich ein Anker 20, an dem eine Stange 21 bzw. 22 aus nicht magnetischem Material angebracht bzw. befestigt ist, die je eine Öffnung 23 und 24 in den Querstegen 14 und 15 durchgreift. Zwischen den Polschuhen 16 und 17 bzw. den Permanentmagneten 18 und 19 und dem Quersteg 14 bzw. dem Quersteg 15 befindet sich je eine Spule 25, 26. Je nach Erregung der Spule 25 oder 26 kann der Anker 20 in die inFig. 1 gezeigte Stellung bewegt werden, wobei der Luftspalt 27, der die Abmessung d aufweist, in dieser Stellung minimiert ist. Wenn die Spule 25 erregt wird, dann wird der Anker in Pfeilrichtung P angetrieben, bis seine dem Quersteg 14 zugewandte Stirnfläche an der Innenfläche des Querstegs 14 anliegt. Auf diese Weise wird ein gut funktionierender bistabiler elektromagnetischer Antrieb für ein Schaltgerät gebildet, insbesondere für Vakuum- Leistungsschalter. Die hierbei getroffenen Maßnahmen zur Vermeidung von Wirbelströmen sowohl im Joch 11 als auch im Anker 20 sind bereits in einer anderen Patentanmeldung berücksichtigt (Deutsche Patentanmeldung197 09 089.3 ). - Bei einer Ausgestaltung ist lediglich die Stange 21 vorgesehen; die Stange 22 ist für einen elektromagnetischen Antrieb für eine Vakuumkammer nicht erforderlich und könnte höchstens zur Führung des Ankers 20 dienen.
- Die Kraft, mit der der Anker 20 an den unteren oder oberen Quersteg angezogen wird, ist von der Wirkungsfläche abhängig.
- Aus der
US-A-5 820 100 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die Luftspalte im Magnetkreis sich mit dem Betätigungszustand verändern. Außerdem sind die B-Feldvektoren der verschiedenen Luftspalte parallel. Dies ist nicht optimal für die Kraftentfaltung.JP 59154006 - Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfingdungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. - Die Kraft, mit der der bzw. die Anker vom Joch angezogen werden, ist durch die Vergrößerung der wirksamen Fläche ebenfalls deutlich erhöht.
- Wie die Anordnung zur Erhöhung der Fläche getroffen sein kann, ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Die bisherigen Beschreibungen legen eine bistabile Ausgestaltung mit zwei Ankern, je einer auf den beiden Stirnseiten der Joche, zugrunde. In einer anderen Ausgestaltung ist es möglich, einen monostabilen Aktuator mit nur einem Anker zu bauen. Dieselbe Spule wird dann sowohl für die Einschaltung als auch - bei umgekehrter Stromrichtung - für die Ausschaltung verwendet. Der Antrieb wird über eine Feder in der Aus- Position gehalten, wenn er nicht eingeschaltet ist.
- Anhand der Zeichnung, in der einige Aüsführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
- Es zeigen:
- Fig. 2, 3, 5, 6 und
- unterschiedliche von der Erfindung ausgenommen Ausgestaltungen eines elektromagnetischen Antriebes,
- Fig. 4
- eine grafische Darstellung von Kraftverläufen für einen Antrieb nach dem Stand der Technik,
- Fig. 7 und 8
- Ausführungsformen der Erfindung, mit zwei Ankern,
- Fig. 10 as 13, 16 bis 20
- je einen von der Erfindung ausgenommen elektromagnetischen Antrieb mit einem Anker,
Fig 14 und15 Ausführung formen der Erfindung, mit einen Anker - Fig. 21
- einen von der Erfindung ausgenommen elektromagnetischen Antrieb gemäß einer ersten Ausführungsform mit zwei Ankern als rechteckförmige Ausgestaltung der
Fig. 9 , - Fi. 22
- eine perspektivischen Darstellung einer von der Erfindung ausgenommen zylindrischen Ausgestaltung der
Fig. 9 , - Fig. 23
- eine von der Erfindung ausgenommen Ausführung eines elektromagnetischen Antriebes mit zwei Spulen und unterschiedlichen Ankern und
- Fig. 24
- die Anwendung eines von der Erfindung ausgenommen elektromagnetischen Antriebes mit einem Anker für den Antrieb einer Vakuumschaltkammer.
- Es sei nun Bezug genommen auf die
Fig. 2 . - Ein von der Erfindung ausgenommen Antrieb 30 besitzt zwei langgestreckte Jochteile 31 und 32, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Etwa in der Mitte besitzen beide Jochteile 31 und 32 Polschuhe 33 und 34, die als Vorsprünge aufeinander zuweisen; an der Innenfläche der Polschuhe 33 und 34 sind Permanentmagnete 35 und 36 befestigt. Zwischen den Permanentmagneten 35 und 36 befindet sich ein Rückschlußelement 37 aus magnetischem Material, welches ortsfest den beiden Jochteilen 31 und 32 zugeordnet ist. Das Rückschlußelement 37 besitzt eine zentrale Bohrung 38, die parallel zum Verlauf der Jochteile 31 und 32 und parallel auch zum Verlauf des Rückschlußelementes ausgerichtet ist und dort mittig im Rückschlußelement 37 sitzt. Die Bohrung 38 ist durchgriffen von einer Stange 39 aus nicht magnetischem Material, an der Anker 40 und 41 befestigt sind. Die Anker 40 und 41 überdecken die benachbarten Stirnflächen der Jochteile 31 und 32.
- Von den Stirnflächen 42 und 43 gehen Rücksprünge 44 und 45 aus, die dann stufig in die Polschuhe 33 und 34 übergehen. Die zwischen dem Rückschlußelement 37 und den Rücksprüngen 44 bzw. 45 gebildeten Räume 46 und 47 dienen zur Aufnahme je einer Spule 48 und 49.
- Die
Fig. 2 zeigt den elektromagnetischen Antrieb, bei dem der Anker 41 gegen die Stirnflächen 43 a und 43 b der Jochteile 31 und 32 anliegt. - Während bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 1 ein Luftspalt lediglich zwischen dem Anker 20 und dem unteren bzw. oberen Quersteg 15, 14 gebildet ist, erhält man bei der vorliegenden Ausführungsform einen Luftspalt 50 zwischen dem Rückschlußelement 37 und dem Anker 41 und je einen Luftspalt 51 und 52 zwischen der Stirnfläche 43 b bzw. 43 a und dem Anker 41. Dadurch erhält man eine Vergrößerung der Anzugsfläche und eine Vergrößerung der Anzugskraft des Magnetankers in der inFig. 2 dargestellten Stellung. Wenn nun die Spule 48 betätigt wird, dann wird der Anker 40 gegen die Stirnflächen 42 a und 42 b des Joches angezogen und man erhält auch dort drei Luftspalte (ohne Bezugsziffern): die Luftspalte zwischen dem Anker 40 und den Stirnflächen 42 a und 42 b und den Luftspalt zwischen dem Anker 40 und dem Rückschlußelement 37. Damit wird die Haltekraft um einen Faktor "(Fläche am Luftspalt 50 + Fläche am Luftspalt 51 + Fläche am Luftspalt 52) geteilt durch - Fläche am Luftspalt 50" vergrößert, bis maximal um 100 %. Beide Anker 40 und 41 bewegen sich aufgrund ihrer Verbindung mit der Stange 39 mit gleicher Geschwindigkeit und sind so aneinander angepaßt, daß der Abstand zwischen den Ankern 40, 41 und den zugehörigen Stirnflächen am Joch und an dem Rückschlußelement in beiden Stellungen jeweils abwechselnd gleich ist. - Selbstredend könnte der Abstand zwischen dem Anker 41 und den Jochteilen 31 und 32 und dem Rückschlußelement 37 unterschiedlich zu dem Abstand des Ankers 40 von den Jochteilen 31 und 32 und dem Rückschlußelement 37, entsprechend den Erfordernissen.
- Wenn die dem Anker 41 zugeordneten Luftspalte 51, 50 und 52 in der angezogenen Stellung kleiner sind als die dem Anker 40 zugeordneten Luftspalte, dann ist die Haltekraft in dieser angezogenen Stellung größer als dann, wenn der Anker 40 angezogen hat. Eine derartige Bemessung könnte z. B. dann notwendig sein, wenn die von der Anwendung erforderte Kraft in der Ein- und der Aus- Position unterschiedlich ist.
- Die
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung von der Erfindung ausgenommen. Der Antrieb 55 besitzt zwei Jochteile 56 und 57, die zusätzlich zu den Rücksprüngen 44 und 45 (die hier die gleiche Bezugsziffer haben sollen, um die Ähnlichkeit darzustellen) weitere Rücksprünge 58 und 59 aufweisen, in denen die Anker 40 bzw. 41 aufgenommen sind; man könnte auch sagen, daß an den Jochteilen 56 und 57 axial verlaufende Arme 60, 61 bzw. 62, 63 vorgesehen sind, die die Anker 40 bzw. 41 auf ihrem gesamten Bewegungsweg überdecken. Dadurch wird zusätzlich zu den Luftspalten 51 und 52 ein Luftspalt 64 bzw. 65 zwischen der Außenumfangsfläche des Ankers 41 und den Armen 62 und 63 gebildet; entsprechende Luftspalte 66 und 67 befinden sich auch zwischen den armen 60 und 61 und dem Anker 40. Dadurch wird die Kraft bei größeren Abständen des Ankers 40 von den Jochteilen 56 und 57 erhöht, wobei je nach Aufgabe und Erfordernis der Abstand d variiert werden kann. - Die
Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung der Anzugskraft F über den Bewegungsweg W des Ankers. Die durchgezogene Linie L 1 zeigt den Kraft- Wegverlauf der Ausgestaltung nachFig 1 . Die Anzugskraft beträgt F1 für den Anker in der inFig. 1 dargestellten Stellung und F2 für die andere Stellung. - Die strichlierte Linie L 2 zeigt den Kraft- Wegverlauf für die Ausgestaltung gemäß
Fig. 2 . Man erkennt, daß im jeweils angezogenen Zustand eine Kraft F2 gemessen wird, die etwa doppelt so groß ist wie die Kraft F1; sie kreuzt die Linie L 1 bzw. L 2, was darauf zurückzuführen ist, daß die Anzugskraft in einem bestimmten Abstand kleiner wird als die Anzugskraft bei der Ausführung gemäßFig. 1 . Die dritte Linie L3 liegt oberhalb der Linie L2 im positiven bzw. im negativen Bereich; die Anzugskraft F3 entspricht etwa der Anzugskraft F2 und im Unterschied zum Verlauf der Linie L 2 fällt die Anzugskraft nicht so steil ab wie die Anzugskraft gemäß der Linie L2 was den Vorteil eines höheren Arbeitsvermögens mit sich bringt. Man erkennt, daß die beiden Spalte 64 und 65 bzw. 66 und 67 zu einer Verbesserung der Kraft-Weg-Linie beitragen. - Der von der Erfindung ausgenommen Antrieb 70 (
Fig. 5 ) ist in seiner Konstruktion unterschiedlich zum Antrieb gemäß derFig. 3 . Hier sind die beiden Jochteile 31 und 32 an beiden Stirnenden von je einem Cförmigen Körper 71, 72 umgriffen, wobei die aufeinander zuweisenden freien Enden der Anker 71 und 72 je einen Luftspalt 77, 78 und 79 und 80 mit der zugehörigen Außenfläche der beiden Jochteile 31, 32 bilden. - Bei der von der Erfindung ausgenommen Ausgestaltung des Antriebs 81 gemäß der
Fig. 6 sind bei ansonsten gleicher Struktur lediglich U-förmige Anker 82 und 83 vorgesehen, wobei die Innenflächen der Schenkel 84, 85, 86 und 87 auf ihrer Gesamtheit mit den Jochteilen 31 und 32 zusammen wirken können, wodurch gegebenenfalls gegenüber der Anordnung gemäßFig. 5 eine weitere Beeinflussung der Anzugskräfte ermöglicht wird. - Die
Fig. 7 zeigt eine Variante gemaß der Erfindung der Anordnung derFig. 3 . - Der Antrieb 90 besitzt zwei U-förmige Anker 91 und 92, die hinter einen Rücksprung 93 bzw. 94 und 95 bzw. 96 mit Armen 97, 98 bzw. 99 bzw. 100 greifen.
- Eine Variante gemaß der Erfindung der Anordnung gemäß
Fig. 7 zeigt dieFig. 8 . Die Jochteile besitzen Rücksprünge 101, 102 und 103 und 104. Die zugehörigen Anker 105 und 106 sind etwa U-förmig ausgebildet mit Schenkeln 107, 108 sowie 109 und 110, die in die Rücksprünge 101, 102 bzw. 103, 104 eingreifen. Darüber hinaus besitzen die Anker 105, 106 die Schenkel 107, 108 bzw. 109, 110 überragenden Fortsätze 111, 112, 113 und 114, die mit den zugehörigen Stirnflächen der Jöchteile 115 und 116 zur Bildung je eines Luftspaltes 117 und 118 zwischen dem Anker 113 und den Jochteilen 115, 116 und dem Anker 111 und den entsprechenden Stirnflächen der Jochteile 115 und 116 bilden. - Die
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung von der Erfindung ausgenommen mit zwei Ankern. Der Antrieb besitzt insgesamt die Bezugsziffer 120 und umfaßt zwei Jochteile 121 und 122, die eine E-Form mit Schenkeln 123 und 124 bzw. 125 und 126 im Bereich ihrer freien Enden sowie mittig dazwischen je einen als Polschuh dienenden Steg 127 und 128 aufweisen. An den Innenflächen der Stege 127 und 128 befinden sich die Permanentmagnete 129 und 130. Beidseitig zu den Stegen zwischen den Schenkeln 123 und den Stegen 127 bzw. 125 und 127 bzw. 124 und 128 bzw. 126 und 128 sind Spulen 131 und 132 angeordnet. Zwischen den beiden Permanentmagneten befindet sich ein Rückschlußelement 133 mit einer Zentralbohrung 134, durch die eine Stange 135 aus nicht magnetischem Material hindurchgreift. Die freien Enden der Stangen sind mit T-förmigen Ankern 136 und 137 fest verbunden; der Längssteg 138 und 139 greift zwischen die Spulen 131 und 132 wenigstens teilweise ein, wobei in derFig. 9 dargestellten Stellung das freie Ende des Längssteges 139 gegen die benachbarte Stirnfläche des Rückschlußelementes 133 anliegt und dort einen Luftspalt 140 damit bildet. Die Querstege 141 und 142 bilden dann jeweils einen Luftspalt 143 und 144 mit den Außenflächen der Schenkel 125 und 126 bzw. 145 und 146; darüber hinaus sind zwischen den freien Enden der Schenkel 125 bzw. 126 und dem Längssteg 139 bzw. zwischen den freien Enden der Schenkel 123 und 124 und dem Längssteg 138 Luftspalte 147 und 148 bzw. 149 und 150 vorgesehen. - Bei den Antrieben, die oben beschrieben sind, sind immer zwei Anker vorgesehen, mit zwei Spulen. Als eine andere Ausgestaltung können, wie im folgenden dargestellt ist, auch Antriebe mit nur einem Anker und einer Spule verwendet werden. Diese monostabile Anordnung besitzt die Vorteile von reduziertem Materialeinsatz, kleinerer Bauform und eines einfacheren Aufbaus. Demgegenüber stehen die Nachteile der erforderlichen Ausschaltfeder, der zusätzlich erforderlichen Haltekraft, um die Ausschaltfeder in der Ein-Position gespannt halten zu können, der erforderlichen Ansteuerung der Spule in beiden Stromrichtungen sowie der höheren Beanspruchung des Permanentmagnetmaterials auf Entmagnetisierung bei der Ausschaltung.
- Zu den monostabilen Antrieben von der Erfindung ausgenommen wird auf die
Fig. 10 Bezug genommen. Der hier beschriebene Antrieb 200 besitzt zwei etwa U-förmige Jochteile 201 und 202. In dem durch die U-Form der beiden Jochteile 201 und 202 gebildeten Raum 203 und 204 ist eine Spule 205 eingesetzt; der Antrieb 200 besitzt weiterhin einen T-förmigen Anker, der dem Anker 136 entspricht und hier die Bezugsziffer 206 trägt. An .einem Quersteg 207 ist ein Längssteg 208 angeformt, der zwischen die anderen Schenkel 209 und 210 sowie zum Teil in die Spule 205 eingreift. An den in der Zeichnung unteren Schenkeln 201 und 202, an deren freien Enden, schließen sich Permanentmagnete 210 und 211 an und zwischen diesen beiden Permanentmagneten, ebenfalls teilweise in die Spule hineinragend ist ein Rückschlußelement 212 vorgesehen. Damit sind mehrere Luftspalte vorgesehen: zum einen zwischen dem Quersteg 207 und den äußeren Flächen der Schenkel 209 und 210, dann zwischen den freien Enden der Schenkel 209 und 210 und dem Längssteg 208 sowie zwischen dem freien Stirnende des Längsstegs 208 und dem Rückschlußelement. - Das Prinzip dieses mono-stabilen Aktuators lässt sich auf alle Ausgestaltungen nach den
Fig. 2 ,3 sowie 5 bis 8 anwenden. - Die
Fig. 11 zeigt einen Antrieb 220 von der Erfindung ausgenommen mit einem U-förmigen Joch 221. An der Innenseite des Quersteges 222 ist ein Permanentmagnet 223 angebracht, und an diesem Permanentmagneten 223 ist ein Rückschlußelement 224 befestigt, so daß dadurch eine E-Form gebildet ist mit den Schenkeln 225 und 226, wobei das Rückschlußelement 224 zusammen mit dem Permanentmagneten 223 als Mittelschenkel von einer Spule 227 umfaßt ist. - Hierzu ist ein Anker 228 vorgesehen, der C-förmig ausgebildet ist, wobei zwischen den aufeinander zuweisenden Schenkelenden 229 der C-Form und der Außenfläche des Schenkels 225 bzw. 230 und 226 sowie zwischen den freien Enden der Schenkel 225 und 226 und dem Rückschlußelement 224 und dem Anker jeweils ein Luftspalt gebildet ist.
- Bei der Ausführung von der Erfindung ausgenommen gemäß
Fig. 12 besitzt der Antrieb 231 ein U-förmiges Joch 232, an dessen Schenkelenden Rücksprünge 233 und 234 vorgesehen sind; in diese Rück-sprünge greift ein langgestreckt ebener Anker 235 ein, wodurch einerseits zwischen der Außenumfangsfläche des Ankers 235 und dem Rücksprung 233 und 234 und der Breitseitenfläche des Ankers 235 und den Stufungen 236 und 237 sowie dem Rückschlußelement 224 jeweils ein Luftspalt gebildet ist. - Dabei sollen gleiche Bezugsziffern darauf hindeuten, daß hier gleiche Funktionen erfüllt sind.
- Bei der Ausgestaltung von der Erfindung ausgenommen gemäß
Fig. 13 ist der Unterschied gegenüber der derFig. 11 darin zu stehen, daß der Anker 240 U-förmig ist und mit seinen Schenkeln 241 und 242 die Schenkel 225 und 226 des Joches 222 umfaßt. - Die
Fig. 14 zeigt einen einspuligen Antrieb gemäß der Erfindung, bei dem das Joch 250 U-förmig ausgebildet ist, wobei Schenkel 251 und 252 der Ausbildung der Stirnflächen bzw. Stirnenden der Joche 115 und 116 derFig. 8 gleichen; da der Anker die gleiche Form hat wie derjenige des Antriebs nachFig. 8 , hat der inFig. 14 dargestellte Anker die gleiche Bezugsziffer 105 erhalten. - Die
Fig. 15 entspricht der Ausführung gemäß der Erfindung nach derFig. 7 , so daß auf die dortige Beschreibung hingewiesen ist. Der Unterschied besteht darin, daß das Joch 260 mit seinen Schenkeln 261 und 262 U-förmig ausgebildet und die freien Schenkelenden einen Rücksprung 263 und 264 aufweisen, in die der Anker 91 in der inFig. 7 dargestellten Weise hineingreift. - Die Ausführungsformen von der Erfindung ausgenommen gemäß den
Figuren 16 bis 20 , denen ein Permanentmagnet fehlt, besitzen im wesentlichen ein dreischenkeliges, E-förmiges Joch, wobei eine Spule den inneren Schenkel umfaßt; der hierbei vorgesehene Anker ist entweder U-förmig und greift in einen Rücksprung an der Außenseite; bei der Ausgestaltung nach derFig. 19 greifen zwei Fortsätze zwischen die äußeren Schenkel in einen inneren Rücksprung (sieheFig. 14 ), und bei der Ausführung nach derFig. 18 ist der Anker ein langgestreckt ebenes Bauteil. - Die perspektivische Darstellung von der Erfindung ausgenommen gemäß
Fig. 21 kommt der Ausführung gemäßFig. 9 nahe; es handelt sich dabei um sich gegenüberliegende Jochteile 121 und 122, mit den Spulen 131 und 132 sowie den Ankern 136 und 137; dazwischen befindet sich, wie aus derFig. 21 dargestellt, das Rückschlußelement 133. Zwischen den beiden Ankern 136 und 137 ist die Stange 135 aus nicht magnetischem Material angeordnet. - Die gleiche oder äquivalente Konstruktion von der Erfindung ausgenommen kann auch, wie aus der
Fig. 22 ersichtlich ist, so sein, daß das Joch, die Anker, die Spulen und das Rückschlußelement je eine Kreiszylinderform bilden. Man kann sich vorstellen, daß alle die Antriebe, die in denFiguren 1 bis 20 dargestellt sind, auch zylinderförmig ausgebildet sein können. Das gleiche gilt auch für die weiter unten beschriebenen Antriebe von der Erfindung ausgenommen gemäßFiguren 23 und24 . - Es sei nun Bezug genommen auf die
Fig. 23 . Dort ist ein Zweianker- und Zweispulenantrieb dargestellt, der der Ausführung gemäßFig. 9 gleicht, wobei der Anker 137 gemäßFig. 9 durch einen Anker 270 ersetzt ist, so daß den Luftspalten 271 und 272 zwischen dem benachbarten Schenkel 273 und 274 und dem Anker 270 entsprechende Aufmerksamkeit gewidmet werden muß. Der Antrieb besitzt dabei die beiden E-förmigen Jochteile 277 und 278; der Anker 279 ist T-förmig. Der Anker 279 entspricht dabei dem Anker 136. - Die Ausführungsform gemäß der
Fig. 24 zeigt die Anwendung eines Antriebs mit einer Spule 300 und zwei U-förmigen Jochteilen 301 und 302. An den freien Enden der Schenkel 304 und 306 sind Permanentmagnete 307 und 308 befestigt und dazwischen befindet sich ein Rückschlußelement 309, welches von einer Stange 310 in einer Zentralbohrung 311 durchgriffen ist und im Bereich der Spule 300 mit einem T-förmigen Anker verbunden ist, der die Bezugsziffer 136 trägt, um zu zeigen, daß die Ausgestaltung ähnlich ist wie bei der Ausführung gemäßFig. 9 , mit dem Unterschied, daß lediglich eine Spule vorgesehen ist. - Die Stange 310 ist über das Federelement 311 mit dem beweglichen Kontaktstängel 312 einer Vakuumschaltkammer 313 verbunden, wobei das freie Ende der Stange 310 eine Erweiterung 314 aufweist, die in einem Fangkorb 315 gefangen ist, wobei zwischen der Erweiterung 314 und dem Boden 316 eine Feder 317 angeordnet ist, die als Kontaktdruckfeder dient.
- Die Vakuumkammer ist in an sich bekannter Weise aufgebaut: Sie besitzt einen Zylinderkörper 318 aus Keramik, der an seinen beiden Stirnenden jeweils durch einen Dekkel 319 und 320 abgeschlossen ist. Das in den Zylinder 313 hineinragende Ende des Kontaktstengel 312 trägt das bewegliche Kontaktstück 321 und zwischen dem Deckel 320 und dem beweglichen Kontaktstück 323 ist ein Falgenbalg 322 angeordnet, der einerseits mit dem Deckel 320 und andererseits mit dem Kontaktstück 321 vakuumdicht verbunden ist. Der Deckel 319 ist von einem feststehendem Kontaktstengel 323 vakuumdicht durchgriffen, an dessen freiem Ende das feststehende Kontaktstück 324 befestigt ist. Mit 325 ist eine Stromzu- oder Abführung bezeichnet; diejenige, die mit dem beweglichen Kontaktstengel 312 verbunden ist, ist nicht dargestellt; sie ist beispielsweise durch ein bewegliches Kupferlitzenband gebildet.
- Zwischen dem Bereich der Jochteile 301 und 302 und dem Fangkorb 315 besitzt die Stange eine daran befestigte Platte 326; an dieser Platte 326 greift ein Ende einer Druckfeder 327 an, dessen anderes Ende auf einer ortsfesten Ebene abgestützt ist. Wenn die Kontaktstücke 321 und 324 in Einschaltstellung verbracht werden sollen, dann wird die Spule 300 erregt, so daß der Anker 136 in das Innere der beiden Jochteile 301 und 302 hineingezogen wird, gemäß Pfeilrichtung P. Dadurch wird die Feder 327 zusammengedrückt und speichert demgemäß Energie. Ober die Kontaktdruckfeder 317 wird auf die Kontaktstücke 321 und 324 eine bestimmte Kontaktkraft aufgebracht.
- Wenn der Schalter ausgeschaltet werden soll, dann wird die Spule 300 mit umgekehrter Stromrichtung erregt. Dadurch wird der Anker entgegen der Pfeilrichtung P bewegt. Dies wird durch die Feder 327, die einen Energiespeicherfeder ist, unterstützt.
- Bei der Ausführung gemäß
Fig. 24 ist ein Antrieb vorgesehen, der lediglich eine Spule aufweist. Selbstverständlich kann jeder Antrieb vorgesehen sein, der in denFiguren 1 bis 23 dargestellt ist, das heißt auch ein Antrieb mit zwei Spulen.
Claims (16)
- Bistabiler oder monostabiler elektromagnetischer Aktuator (90), insbesondere Antrieb für eine Vakuumschaltkammer,mit einem Joch (31, 32),mit wenigstens einem Permanentmagneten (35, 36),mit wenigstens einer Spule (48, 49),mit wenigstens einem bewegbaren Anker (91, 92),so dass ein magnetischer erster Fluss durch den Anker (91, 92) und das Joch (31, 32) erzeugt wird,so dass der Anker (91, 92)) in einer Stellung festgehalten wird,wobei die Spule (48, 49) einen zweiten magnetischen Fluss erzeugt, mit dem der Anker (91, 92) betätigt wird,wobei der Permanentmagnet (35, 36) zwischen dem Joch (31, 32) und einem feststehendem Rückschlusselement (37) angeordnet ist,so dass die magnetischen Flüsse über das Rückschlusselement (37) verlaufen,und dass der Anker (91, 92) eine Stirnseite des Jochs (31, 32), die senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung verläuft, wenigstens teilweise überdeckt,dass das Joch (31, 32) im Bereich seiner Stirnseite einen stufigen Rücksprung (93-96) aufweist,und dass ein erster Luftspalt (51, 52) parallel zur Bewegungsrichtung während ein zweiter Luftspalt (64, 65) senkrecht zur Bewegungsrichtung verläuft,so dass die Luftspalte senkrecht zueinander liegen,dadurch gekennzeichnet, dassder Anker (91, 92) ausserhalb des Jochs (31, 32) die Stirnseite des Jochs überdeckt,und der Anker (91, 92) in der stufigen Rücksprung (93-96) hineinpasst.
- Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch zwei Jochkörper aufweist, die etwa mittig je einen Polschuh besitzen, die aufeinander zuweisen, an denen je ein Permanentmagnet angebracht ist.
- Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Joch, Anker, Magnete rechteckförmig ausgeführt sind.
- Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch zylinderringförmig ist und innen eine Leiste geringeren Durchmessers aufweist, an deren Innenseite ein ringförmiger Permanentmagnet befestigt ist, und das sowohl als auch das Rückschlußelement zylinderförmig ausgebildet sind.
- Aktuator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker die Stirnseite des Jochs vollständig überdeckt.
- Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stufige Rücksprung an der Innenseite des Jochs angeordnet ist.
- Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker die Stirnseite und teilweise die Außenseite des Jochs umfaßt.
- Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker einen C-förmigen Querschnitt aufweist, wobei die aufeinander zuweisenden Schenkelenden (97-100) das Joch auf dessen Außenseite umfassen.
- Aktuator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker napfförmig ist.
- Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker auf der Innenseite der Napfwand einen Vorsprung als umlaufende Rippe trägt.
- Aktuator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei an sich gegenüberliegenden Enden des Jochs befindliche Anker vorgesehen sind, die mittels einer das Rückschlußelement durchgreifenden Stange aus nicht magnetischem Material miteinander verbunden sind.
- Aktuator (231) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein Anker (235) und eine Spule (227) vorgesehen sind, daß das Magnetjoch (232) O-förmig ist und der Permanentmagnet sowie das Rückschlußelement mittig zwischen den Schenkeln am Jochsteg befestigt ist, wobei sich der Permanentmagnet zwischen dem Rückschlußelement und dem Jochsteg befindet, so daß der Aktuator (231) monostabil ist.
- Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch E-förmig ist.
- Aktuator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich 1 Anker vorgesehen ist, daß das Joch topfförmig ausgebildet ist.
- Aktuator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet und das Rückschlußelement am Topfboden in der Mitte befestigt ist, wobei sich der Permanentmagnet zwischen dem Rückschlußelement und dem Topfboden befindet.
- Aktuator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Topfes ein Vorsprung angeformt ist und an seinem Ende den Permanentmagneten trägt, wobei der Vorsprung gleichzeitig als Rückschlußelement dient.
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