EP1573766B1

EP1573766B1 - Elektromagnetischer antrieb

Info

Publication number: EP1573766B1
Application number: EP03785595A
Authority: EP
Inventors: Martin Böttcher; Marcus Kampf; Carsten Protze
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: EP1573766A1; RU2005122646A; RU2322724C2; CN1729548A; DE10261811A1; JP2006511047A; WO2004057637A1; DE10261811B4; US20060049901A1; CN100334670C; DE50311231D1

Abstract

Um einen elektromagnetischen Antrieb (1) für einen Schalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungstechnik, mit wenigstens einem Magnetkörper (2, 3), der einen Luftspalt begrenzt, einem in dem Luftspalt (4) angeordneten dem Magnetkörper (2, 3) gegenüber beweglich geführten Bewegteil (5), wenigstens einem Permanentmagneten und wenigstens einem mit Strom beaufschlagbaren Leiter (6), wobei sich der oder die Leiter (6) bei einer Bewegung des Bewegteils (5) zumindest teilweise in einem von dem oder den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss erstreckt/erstrecken, bereitzustellen, der in seinen Endlagen auf einfache Art und Weise fixiert werden kann, wobei jedoch die einfache Steuerung der Antriebsbewegung erhalten bleibt, wird vorgeschlagen, dass das Bewegteil (5) fest mit wenigstens einem weichmagnetischen Verriegelungskörper (7) verbunden ist und dass der von dem/den Permanentmagneten (3) erzeugte magnetische Fluss den Verriegelungskörper (7) in einer Endlage des Bewegteils (5) durchsetzt, wobei der Luftspalt (4) durch den Verriegelungskörper (7) für den magnetischen Fluss überbrückt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnetischer Antrieb für einen Schalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungstechnik, mit wenigstens einem Magnetkörper, der einen Luftspalt begrenzt, einem in dem Luftspalt angeordneten dem Magnetkörper gegenüber beweglich geführten Bewegteil, wenigstens einem Permanentmagneten und wenigstens einem mit Strom beaufschlagbaren Leiter, der zumindest teilweise in dem Luftspalt angeordnet ist, wobei sich der oder die Leiter bei einer Bewegung des Bewegteils zumindest teilweise in einem von dem oder von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss erstreckt/erstrecken.
Ein solcher elektromagnetischer Antrieb ist beispielsweise aus der DE 198 15 538 A1 bekannt. Der dort offenbarte Antrieb weist einen Drehstromlinearmotor auf, der aus mehreren Motormodulen zusammengesetzt ist. Das Motormodul weist eine bestimmte Anzahl von feststehenden Motorspulen sowie diesbezüglich längsbeweglich geführte Bewegteile mit Permanentmagneten auf. Durch die Erregung der Motorspulen entsteht ein magnetisches Feld, in dem die Permanentmagnete des Bewegteils angeordnet sind. Aufgrund der erzeugten Lorenzkraft kommt es zu einer Antriebsbewegung des Bewegteils, das über eine Schaltstange mit dem Bewegkontakt eines Schalters verbunden ist. Zum Einschalten des Vakuumschalters wird der Bewegkontakt durch den Drehstromlinearmotor gegen einen feststehenden Kontakt des Schalters gepresst, wobei das Bewegteil eine Endlage erreicht.
Aus der WO 95/07542 ist ein elektromagnetischer Antrieb bekannt, der ein rahmenförmig geschlossen verlaufenes Joch aus weichmagnetischem Material aufweist, das zur Vermeidung von Wirbelströmen aus Lamellen stapelweise zusammengesetzt ist. Das Joch bildet einen Hohlraum aus, in dem ein aus weichmagnetischem Material bestehender Anker zwischen zwei Endlagen beweglich geführt ist. In jeder Endlage kontaktiert der Anker mit einer seiner Stirnseiten das weichmagnetische Joch, wobei zwischen der anderen, der Kontaktstelle gegenüberliegenden Stirnseite des Ankers und dem geschlossen umlaufenden Joch ein Luftspalt definiert ist. In dem Hohlraum des Joches sind ferner zwei Spulen befestigt, die jeweils eine der Stirnseiten des Ankers umgeben. Zwischen den Spulen sind Permanentmagnete zur Erzeugung eines magnetischen Flusses vorgesehen. Aufgrund des Luftspaltes bleibt der Anker in der jeweiligen Endlage fixiert. Durch die Erregung der Spule, welche die luftspaltenseitige Stirnseite umschließt, wird in dem Luftspalt ein so hoher magnetischer Fluss erzeugt, dass zur Verringerung des magnetischen Widerstandes der Anker vom Joch abgerissen und unter Schließung des Luftspaltes in seine zweite stabile Endlage überführt wird, in der er mit seiner anderen Stirnseite, die zuvor den Luftspalt begrenzte, an dem Joch anliegt. Der Erregerstrom der Spule kann nunmehr unterbrochen werden, da der Anker auch in dieser Endlage fixiert ist.
Die beiden zuvor beschriebenen vorbekannten Magnetantriebe fußen auf unterschiedlichen physikalischen Effekten. Der elektromagnetische Antrieb gemäß der DE 198 15 538 A1 nutzt zur Erzeugung der Antriebswirkung die sogenannte Lorentz-kraft, die bei Bewegung geladener Teilchen in einem Magnetfeld entsteht. Die Wirkung eines elektromagnetischen Antriebes gemäß der WO 95/07542 ist auf den physikalischen Effekt zurückzuführen, dass sich ein magnetisches Feld bevorzugt in einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität oder, mit anderen Worten, in einem Material mit einem geringen magnetischen Widerstand ausbreitet. Durch die Verschiebung des Ankers wird das Gesamtsystem von einem energetisch ungünstigen Zustand mit einem hohen magnetischen Potential in einen energetisch günstigeren Zustand überführt, in dem ein Luftspalt geschlossen ist und der magnetische Fluss nahezu ausschließlich ein Material mit geringem magnetischen Widerstand durchsetzt. Die Kraft zur Überführung des Systems in den energetisch günstigen Zustand ergibt sich durch Gradientenbildung. Antriebe, die auf einem solchen Effekt basieren, werden auch Reluktanzantriebe genannt.
Elektromagnetische Antriebe, die auf der Lorenzkraft basieren, weisen eine hohe Dynamik auf und können darüber hinaus auf einfache Art und Weise, nämlich über den durch das Magnetfeld geführten Strom, gesteuert werden. Nachteilig ist jedoch, dass diese Antriebe keine stabilen Endlagen oder Zwischenstellungen einnehmen, sondern erforderlichenfalls durch zusätzliche Mittel in den jeweils vorgesehenen Endlagen fixiert werden müssen. Hierzu werden üblicherweise Federn, Klinken oder dergleichen eingesetzt, deren Kraftwirkung nur mit Aufwand aufzuheben ist. Reluktanzantriebe zeichnen sich in der Regel durch eine stabile Endlagenfixierung aus. Ihnen haftet jedoch der Nachteil einer stark unlinearen Weg-Kraft-Kennlinie an, die entweder nur schwer oder aber zu Lasten der Haltekraft in den Endlagen oder zu Lasten des Bauraumes beeinflusst werden kann.
Aus der US 6,373,675 B1 ist ein weiterer Reluktanzantrieb bekannt. Der dort gezeigte elektromagnetische Antrieb weist einen einen Spalt begrenzenden Magnetkörper mit einem Permanentmagneten auf. In einer Trennstellung durchsetzt das Magnetfeld des Permanentmagneten einen Luftspalt, in den sich ein fest mit dem Bewegteil verbundener Verriegelungskörper erstreckt. In einer Kontaktstellung wird das Magnetfeld des Permanentmagneten über den Verriegelungskörper und das Bewegteil statt über den Luftspalt geführt, wobei jedoch ein neuer Magnetkreis ausgebildet wird. Auf dem Bewegteil ist ferner eine Spule angeordnet, das zum Schwächen des Magnetfelds des Permanentmagneten dient, so dass das Bewegteil zwischen Kontaktstellung und Trennstellung hin und her bewegt werden kann.
In der EP 1 124 244 A2 ist wiederum ein Reluktanzantrieb offenbart, wobei wieder Elektromagneten zum Schwächen des Magnetfelds eines Permanentmagneten eingerichtet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromagnetischen Antrieb der eingangs genannten Art bereitzustellen, der in seinen Endlagen auf einfache Art und Weise fixiert werden kann, wobei jedoch die einfache Steuerung der Antriebsbewegung erhalten bleibt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das Bewegteil fest mit wenigstens einem weichmagnetischen Verriegelungskörper verbunden ist und dass der von dem/den Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss den Verriegelungskörper in einer Endlage des Bewegteils durchsetzt, wobei der Luftspalt durch den Verriegelungskörper für den magnetischen Fluss überbrückt ist.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb macht sich sowohl die Lorenzkraft als auch die aus einer Herabsetzung des magnetischen Widerstandes resultierende Kraftwirkung oder mit anderen Worten die Reluktanzkraft zunutze. Dazu wird in zumindest einer Endlage durch den Verriegelungskörper ein Luftspalt überbrückt, der den magnetischen Widerstand für den magnetischen Fluss erhöht. Das Bewegteil hat somit einen energetisch günstigen Zustand eingenommen. Nach dem Ablösen des Verriegelungskörpers aus seiner Endlage ist der magnetische Fluss gezwungen, über den in dem Magnetkörper vorgesehenen Luftspalt oder aber über zwischen dem Magnetkörper und dem Verriegelungskörper ausgebildete und sich vergrößernde Luftspalte zu fließen, wodurch sich der magnetische Widerstand erhöht. Auf diese Weise ist im Hinblick auf die Endlage ein magnetisch ungünstigerer Zustand eingestellt. Es entsteht eine dem Ablösen entgegenwirkende Magnetkraft. Das Bewegteil ist über eine zweckmäßige Mechanik, beispielsweise Antriebsstangen und Kraftübertragungshebel, mit einem beweglichen Schaltkontakt eines Schalters, insbesondere eines Vakuumschalters, verbindbar. Dabei ist in einer Endlage des Antriebes der bewegliche Schaltkontakt fest im Kontakt mit einem ortsfesten Kontaktstück des Schalters.
Bei einem Stromfluss über die Kontakte des Schalters werden durch die sich an den Kontakten ausbildenden Engstellen einander abstoßende Kräfte erzeugt. Durch die Verriegelung der Endlage des Antriebs ist ein Abheben der Kontakte voneinander und damit die Ausbildung eines energiereichen Lichtbogens, insbesondere im Kurzschlussfall, vermieden.
Die auf die Verringerung des magnetischen Widerstandes für den magnetischen Fluss beruhende Kraftwirkung weist eine stark nichtlineare Charakteristik auf, da bei kleinen Abständen des Verriegelungskörpers von dem Magnetkörper hohe Kräfte erzeugt werden. Bei mittleren Weglagen, in denen der Verriegelungskörper von dem Joch weiter beabstandet ist, erfolgt der Antrieb nahezu ausschließlich über Lorenzkräfte. Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb kann daher in den mittleren Weglagen des Bewegteils auf einfache Art und Weise, nämlich entweder über zweckmäßige Speisung des Leiters mit Strom oder durch Änderung des elektromagnetisch mittels Spulen erzeugten magnetischen Flusses gesteuert werden. In den Endlagen ist jedoch gleichzeitig eine ausreichend hohe Verriegelungskraft bereitgestellt, um das Abheben eines beweglichen Schaltkontaktes von einem ortsfesten Gegenkontakt auch im Kurzschlussfall zu vermeiden.
Dabei ist keineswegs notwendig, dass der Verriegelungskörper zur Überbrückung an den den Luftspalt begrenzenden Bereichen des oder der Magnetkörpers/er anliegt. Vielmehr kann der Verriegelungskörper auch mit einem geringen Abstand zu diesen Bereichen gehalten werden, so dass in diesen Fällen beispielsweise eine permanente Andruckskraft für den Schaltkontakt gegen den Festkontakt des Schalters erzeugbar ist. Wesentlich ist jedoch, dass der magnetische Widerstand in der Endlage gegenüber anderen möglichen Weglagen minimiert ist.
An dem Bewegteil sind beispielsweise Permanentmagnete befestigt, wobei der von ihnen und möglicherweise auch der von dem Leiter erzeugte magnetische Fluss in einer Endstellung des Verriegelungskörpers teilweise über den Verriegelungskörper fließt, so dass der Widerstand des gesamten Magnetkreises in der Endstellung minimiert ist.
Abweichend davon weist das Bewegteil wenigstens eine Spule mit einem Träger auf, der von dem Leiter umwickelt ist, wobei jeder Verriegelungskörper mit einer Stirnseite der Spule verbunden ist. Gemäß dieser zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung ist der elektromagnetische Antrieb ein Hubantrieb, wobei der Hub des elektromagnetischen Antriebes der Länge der Spule oder Spulen im Wesentlichen entspricht. Die Verriegelungskörper können einseitig oder beidseitig einer Spule angeordnet sein. Weist das Bewegteil beispielsweise zwei Verriegelungskörper und eine Spule auf, ist es in zwei Endlagen fixiert. Der Einfluss des Verriegelungskörpers auf die Kraft-Weg-Kennlinie des Antriebes ist gegenüber der Variante mit einem Verriegelungskörper erhöht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung umfasst der Magnetkörper neben dem oder den Permanentmagneten ein weichmagnetisches Joch, wobei der von jedem Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss das Joch durchsetzt. Die Verwendung eines Joches zum Führen des magnetischen Flusses hilft Kosten zu senken, da der Luftspalt nicht in einen großen und damit kostenträchtigen Permanentmagneten eingebracht werden muss. Vielmehr reicht die Verwendung eines kleineren Permanentmagneten aus. Das Joch ist vorteilhafterweise ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet, wobei durch den beispielsweise rechteckigen Rahmen ein Magnetkreis ausgebildet ist, der lediglich durch einen den Rahmenverlauf unterbrechenden Luftspalt unterbrochen ist. Zur Vermeidung von Wirbelströmen ist das Joch aus Lamellen stapelweise zusammengesetzt. Der Magnetkörper und damit der oder die Permanentmagnete sind bezüglich des Bewegteils ortsfest. Da das Bewegteil bei der Erzeugung der Antriebsbewegung in den Luftspalt eintaucht wird diese Weiterentwicklung der Erfindung auch als ein auf dem Tauchspulenprinzip basierender Antrieb bezeichnet. Ein solcher Antrieb kommt gegenüber Antrieben nach dem Drehstrom-Linearmotorenprinzip mit einer Gleichspannung aus, die aus nur einer Phase eines Drehstromnetzes gewonnen werden kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt jeder Verriegelungskörper in der ihm zugeordneten Endlage an dem weichmagnetischen Joch an. Ein Luftspalt zwischen dem Verriegelungskörper und dem Magnetkörper in der Endlage ist somit vermieden. Der Magnetfluss geht von dem Magnetkörper direkt in den Verriegelungskörper über, wodurch der magnetische Widerstand des Magnetkreises minimiert ist. Das Bewegteil ist in der Endlage somit besonders fest verriegelt.
Vorteilhafterweise ist zum Ablösen des Bewegteils aus seiner Endlage eine Feder vorgesehen. Die Haltekraft in der jeweiligen Endlage kann durch ein geeignetes Bestromen der Spule reduziert oder sogar aufgehoben werden. Die Feder unterstützt jedoch das Ablösen des Bewegteils aus der Endlage. Als Federn eignen sich beispielsweise Druckfedern, die an einem ortsfesten Widerlager einerseits, sowie an dem von der Spule abgewandten Ende des Verriegelungskörpers abgestützt sind.
Bei einer abweichenden Weiterentwicklung der Erfindung ist das Bewegteil auf einer Welle gelagert und rotierbar, wobei jeder Verriegelungskörper in einer Endlage an mit dem Magnetkörper verbundenen Anschlägen anliegt. Bei dieser erfindungsgemäßen Weiterentwicklung ist der elektromagnetische Antrieb kein Linearmotor, sondern erzeugt eine Drehbewegung, die über die Welle also in Form einer Drehbewegung nach außen getragen wird. Gemäß dieser Weiterentwicklung kann der Magnetkörper Elektromagnete aufweisen, die ein magnetisches Wanderfeld erzeugen.
Bevorzugt weist der Magnetkörper jedoch ein Joch mit einem Permanentmagneten auf, wobei der von dem Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss die in dem Magnetkörper ausgebildete Ausnehmung oder, mit anderen Worten, den Luftspalt durchsetzt. Das Bewegteil ist im Wesentlichen passend zu dem hohlzylindrischen Luftspalt ausgebildet und in diesem drehbar mittels der Welle gelagert. Durch Erregung des Leiters des Bewegteils wird eine Drehbewegung erzeugt. Der Leiter kann beispielsweise als Wicklung ausgebildet sein, die von einer Stromphase gespeist ist. Der Leiter kann jedoch auch durch mehrere Wicklungen realisiert sein, die von mehreren Stromphasen erregt werden, so dass ein Wanderfeld entsteht. Die Endlagen werden durch die Positionierung von zwei Anschlägen definiert, die fest mit dem Magnetkörper verbunden sind. Im Endlagenbereich schlägt der beispielsweise stabförmig ausgebildete Verriegelungskörper mit seinen gegenüberliegenden Endbereichen an die Anschläge an, so dass in der Endlage eine Überbrückung der Anschläge durch den Verriegelungskörper bereitgestellt ist. Der magnetische Fluss ist nun nicht mehr gezwungen, den Luftspalt zu durchsetzen, sondern gelangt gegen geringeren magnetischen Widerstand über den Verriegelungskörper von einem Anschlag zum anderen.
Zweckmäßigerweise ist das Bewegteil rotationssymmetrisch und der Leiter als wenigstens eine Wicklung auf dem Bewegteil ausgebildet.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei sich entsprechende Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind und

Figur 1: ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer schematischen Darstellung,
Figur 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer schematischen Darstellung,
Figur 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer schematischen Darstellung und
Figur 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer schematischen Darstellung und
Figur 5: ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer schematischen Darstellung zeigen.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes 1 in einer schematischen Darstellung. Der gezeigte elektromagnetische Antrieb weist einen aus einem Joch 2 sowie einem Permanentmagneten 3 bestehenden Magnetkörper auf, in dem ein Luftspalt 4 vorgesehen ist. Der Magnetkörper 2, 3 und der Luftspalt 4 bilden einen Magnetkreis für den vom Permanentmagneten 3 erzeugten magnetischen Fluss, wobei der Luftspalt 4 im Vergleich mit dem Magnetkörper 2, 3 einen Bereich mit erhöhtem magnetischem Widerstand darstellt. In den von einem magnetischen Fluss oder Magnetfeld durchsetzten Luftspalt 4 ragt ein Bewegteil 5 hinein, das aus einer Spule 6 sowie einem Verriegelungskörper 7 zusammengesetzt ist. Die Spule 6 verfügt über einen nicht leitenden Spulenträger, beispielsweise aus Kunststoff, der mit sich berührenden und gegeneinander nach außen isolierten Leiter umwickelt ist. Der in den Luftspalt 4 hineinragende Abschnitt der Spule 6 ist dem von dem Permanentmagneten 3 erzeugten magnetischen Fluss ausgesetzt, so dass durch Erregung der Spule mit Strom eine Lorenzkraft erzeugt wird, die je nach Stromrichtung das Bewegteil 5 in den Luftspalt 4 hinein oder aus diesem heraus bewegt. Auf diese Weise wird eine Hubbewegung bereitgestellt, die als Antriebsbewegung beispielsweise für die Unterbrechereinheit in einer Leistungsschaltanlage im Mittelspannungsbereich einsetzbar ist.
Wird das Bewegteil 5 aufgrund der Lorenzkraft in den Luftspalt 4 hineingezogen und ist der doppelte Abstand zwischen dem Verriegelungskörper 7 und dem Joch 2 geringer als der Durchmesser des Luftspaltes 4, wird der magnetische Widerstand des Magnetkreises abgesenkt. Der Luftspalt 4 wird durch den Verriegelungskörper 7 überbrückt. Liegt der Verriegelungskörper 7 vollständig an dem weichmagnetischen Joch 2 an, ist ein geschlossener magnetischer Fluss ausschließlich über Stoffe ermöglicht, die eine hohe Permeabilität und somit einen geringen magnetischen Widerstand aufweisen. Dieser Zustand ist somit energetisch gegenüber einem Magnetkreis mit Luftspalt begünstigt. Einer Verschiebung des Bewegteils 5 in eine Stellung, in der der Verriegelungskörper 7 von dem Joch 2 beabstandet ist, wirkt daher ein Kraftgradient entgegen. Der Verriegelungskörpers 7 ist an dem Joch 2 verriegelt.
Zum Abreißen des Verriegelungskörpers 7 vom Joch 2 ist eine in Figur 1 nur schematisch dargestellte Feder 8 vorgesehen, die beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet ist und sich einerseits am Joch 2 und andererseits an der Spule 6 abstützt. Liegt der Verriegelungskörper 7 am Joch 2 an, ist die Feder 8 vorgespannt. Durch Speisen der Spule 6 mit Strom wird das die Haltekraft erzeugende permanentmagnetische Feld so weit geschwächt, dass die Feder 8 das Bewegteil 5 aus der Endlage heraus beschleunigt. Die Feder 8 kann darüber hinaus zur Erzeugung einer permanenten Andruckkraft für einen Bewegkontakt einer Vakuumschaltröhre an deren ortsfesten Festkontakt eingesetzt werden, wobei der Bewegkontakt über eine zweckmäßige Stangen- und Hebelanordnung mit dem Bewegteil 5 mechanisch verbunden ist, um die Bewegung des Bewegteils in den Bewegkontakt einzuleiten.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes 1. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das aus zwei Teilstücken 2a und 2b bestehende Joch 2 zwei Luftspalte 4 auf, wobei das Bewegteil 5 sich mit zwei Spulen 6 in jeweils einen der Luftspalte 4 hinein erstreckt. Auf diese Art und Weise ist der Anteil der Lorenzkraft gegenüber der Kraftwirkung aus der Herabsetzung des magnetischen Widerstandes erhöht.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes 1 in einer schematischen Darstellung. Wie in Figur 1 ist in dem weichmagnetischen Joch 2 nur ein Luftspalt 4 vorgesehen. Im Gegensatz zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Bewegteil 5 jedoch zwei Verriegelungskörper 7 auf, die beidseitig der Spule 6 angeordnet sind. Die Bewegung des Bewegteils 5 daher beidseitig begrenzt, so dass zwei Endlagen definiert sind, in denen einer der Verriegelungskörper 7 an dem weichmagnetischen Joch 2 anliegt und das Bewegteil 5 sich in der Verriegelungsstellung befindet. Zum Abreißen beider Verriegelungskörper sind zwei Federn 8 vorgesehen, die einander in Bewegungsrichtung des Bewegteils 5 gegenüberliegend angeordnet sind und jeweils mit einem ihrer Enden an dem ihnen zugeordneten Verriegelungskörper 7 abgestützt sind, wohingegen das andere Federende auf einem fest mit dem Joch 2 versehenen Widerlager fußt.
Figur 4 zeigt wie Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes, bei dem das weichmagnetische Joch 2 aus zwei Teilstücken 2a und 2b zusammengesetzt ist und zwei Luftspalte 4 ausgebildet sind. Das Bewegteil 5 weist zwei Spulenabschnitte 6 auf, die sich in jeweils einen der Luftspalte 4 hinein erstrecken. Im Gegensatz zu Figur 2 weist das Bewegteil 5 gemäß Figur 4 drei Verriegelungskörper 7 auf. Das Bewegteil 5 ist daher nur zwischen zwei Endlagen verschiebar, in denen jeweils zwei Verriegelungskörper 7 an dem weichmagnetischen Joch 2 anliegen, so dass beide Luftspalte 4 überbrückt sind. Zum Abreißen der Verriegelungskörper 7 sind wiederum zwei Druckfedern 8 vorgesehen, die einander in Bewegungsrichtung des Bewegteils 5 gegenüberliegen und jeweils einerseits am Verriegelungskörper 7 und andererseits an einem ortsfesten nicht gezeigten Widerlager abgestützt sind.
In Figur 4 ist ferner schematisch ein Vakuumschalter 9 dargestellt, der aus einem hohlzylindrischen nicht leitenden Keramikabschnitt 10 sowie aus metallischen Stirnseiten 11 und 12 zusammengesetzt ist. Die Stirnseite 11 wird von einem ortsfesten Festkontakt 13 durchgriffen, dem ein axial beweglich geführter Bewegkontakt 14 axial gegenüberliegend angeordnet ist. Der Bewegkontakt 14 ist von einer leitenden Schaltstange 15 gehalten, die einen metallischen Faltenbalg 16 durchgreift, durch den die axiale Bewegungsfreiheit des Bewegkontakts bereitgestellt ist. Zwischen dem Keramikabschnitt 10, den Stirnwandungen 11 und 12 sowie dem Metallfaltenbalg 16 ist eine Vakuumkammer 17 ausgebildet, in der ein Vakuum angelegt ist. Zum Stromanschluss dienen nur schematisch dargestellte Klemmen 18. Die Bewegung des Antriebs wird über einen Hebel 19 sowie eine aus nicht leitendem Material hergestellte Übertragungsstange 20 in den Vakuumschalter eingeleitet, wobei der Hebel 19 über schematisch dargestellte Übertragungsmittel 21 mit dem Antrieb 1 verbunden ist. Zur Erzeugung der notwendigen Andruckkraft für die Kontakte ist eine Kontaktandruckfeder vorgesehen, die beispielsweise in der Übertragungsstange 20 angeordnet ist.
Figur 4 zeigt den Vakuumschalter 9 in einer Zwischenstellung. In einer nicht gezeigten Kontaktstellung hingegen kontaktiert der Bewegkontakt 14 den Festkontakt 13, so dass ein Stromfluss ermöglicht ist. Dabei liegt der unterste Verriegelungskörper 7 sowie der mittlere Verriegelungskörper 7 an dem Joch 2 an, so dass die Kontaktstellung des Vakuumschalters 9 verriegelt ist. Das Abheben des Bewegkontaktes 14 von dem Festkontakt 13 aufgrund von Engstellenkräften ist somit verhindert. In einer Trennstellung liegen der obere Verriegelungskörper 7 und der mittlere Verriegelungskörper 7, letzterer jedoch am unteren Rahmenabschnitt, an dem Joch 2 an.
Bei den in Figur 3 und Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Einfluss der Verriegelungskörper 7 und somit der Anteil der Reluktanzkraft gegenüber der Lorenzkraft erhöht.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes 1. Der dort gezeigte elektromagnetische Antrieb 1 weist einen aus einem weichmagnetischen Joch 2 sowie zwei Permanentmagneten 3 bestehenden Magnetkörper auf, wobei der Magnetkörper im Wesentlichen rahmenförmig ausgebildet ist und zwei keilstumpfförmig aufeinander zuweisende Vorsprünge 22 aufweist. Die Vorsprünge 22 begrenzen den Luftspalt 4. Das Bewegteil 5 ist mittels einer in Figur 5 nicht gezeigten Welle in dem Luftspalt 4 drehbar gelagert und mit einem als Wicklung ausgebildeten Leiter oder, mit anderen Worten, einer Spule 6 versehen, die hier durch lediglich eine Phase eines Drehstroms erregbar ist.
An dem Bewegteil 5 sind ferner zwei ebenfalls keilstumpfförmig ausgebildeten Verriegelungskörpern 7 vorgesehen, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Bewegteils 5 fest mit diesem verbunden sind.
Der von dem Permanentmagneten 3 erzeugte magnetische Fluss wählt den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes und durchsetzt die Vorsprünge 22 und damit das Bewegteil 5 sowie die Spule 6. Durch Erregung der Spule 6 kommt es aufgrund der Lorentz-Kraft zu einer Drehbewegung des Bewegteils 5 und auf diese Weise zur Erzeugung einer Antriebskraft für eine Vakuumschaltröhre einer elektrischen Schaltanlage. In einer Kontaktstellung der Schaltkontakte der Vakuumschaltröhre liegen die einander gegenüberliegenden Verriegelungskörper 7 an den Vorsprüngen 22 an, so dass der magnetische Fluss die Vorsprünge 22, die Verriegelungskörper 7 sowie das Bewegteil 5 durchsetzt. Dabei sind die Verriegelungskörper 7 aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, so dass der magnetische Widerstand wegen der Überbrückung des Luftspaltes 4 herabgesetzt ist. Die Endlagen des elektromagnetischen Antriebes 1 sind daher durch die Reluktanzkraft verriegelt.

Claims

Elektromagnetischer Antrieb (1) für einen Schalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungstechnik, mit wenigstens einem Magnetkörper (2,3), der einen Luftspalt begrenzt, einem in dem Luftspalt (4) angeordneten dem Magnetkörper (2,3) gegenüber beweglich geführten Bewegteil (5), wenigstens einem Permanentmagneten und wenigstens einem mit Strom beaufschlagbaren Leiter (6), der zumindest teilweise in dem Luftspalt angeordnet ist, wobei sich der oder die Leiter (6) bei einer Bewegung des Bewegteils (5) zumindest teilweise in einem von dem oder den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss erstreckt/erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bewegteil (5) fest mit wenigstens einem weichmagnetischen Verriegelungskörper (7) verbunden ist und dass der von dem/den Permanentmagneten (3) erzeugte magnetische Fluss den Verriegelungskörper (7) in einer Endlage des Bewegteils (5) durchsetzt, wobei der Luftspalt (4) durch den Verriegelungskörper (7) für den magnetischen Fluss überbrückt ist.
Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bewegteil (5) wenigstens eine Spule (6) mit einem Träger aufweist, der von dem Leiter umwickelt ist, wobei jeder Verriegelungskörper mit einer Stirnseite der Spule (6) verbunden ist.
Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnetkörper den oder die Permanentmagneten (3) sowie ein weichmagnetisches Joch (2) umfasst, wobei der von jedem Permanentmagneten (3) erzeugte magnetische Fluss das Joch (2) durchsetzt.
Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Verriegelungskörper (7) in der ihm zugeordneten Endlage an dem weichmagnetischen Joch (2) anliegt.
Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Feder (8) zum Ablösen des Bewegteils (5) aus einer Endlage vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bewegteil (5) auf einer Welle gelagert und rotierbar ist und jeder Verriegelungskörper in einer Endlage des Bewegteil an mit dem Magnetkörper verbundenen Anschlägen anliegt.
Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bewegteil (5) rotationssymmetrisch und der Leiter als wenigstens eine Wicklung auf dem Bewegteil (5) ausgebildet ist.