EP1590822A1 - Electromagnetic drive for switching devices - Google Patents

Electromagnetic drive for switching devices

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EP1590822A1
EP1590822A1 EP04706610A EP04706610A EP1590822A1 EP 1590822 A1 EP1590822 A1 EP 1590822A1 EP 04706610 A EP04706610 A EP 04706610A EP 04706610 A EP04706610 A EP 04706610A EP 1590822 A1 EP1590822 A1 EP 1590822A1
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EP
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drive
locking
armature
magnetic
electromagnetic drive
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EP04706610A
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Peter-Klaus Budig
Ralf Werner
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Siemens AG
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Siemens AG
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Abstract

The invention relates to an electromagnetic drive (1) for a switching device, especially a medium-voltage switching device, comprising a drive unit (2) consisting of a magnet body (5), an armature (8) which is at least partially moveably arranged therein, at least one drive magnet (5) producing a permanent magnetic drive field and at least one conductor (10) extending at least partially inside said magnetic drive field. A locking unit (3) is provided in order lock the armature (8) in at least one end position. In order to provide an electromagnetic drive which can be fixed in an end position in a simple manner, ensuring simple control thereof, the locking unit (3) comprises at least one soft magnetic moving part (15) which is firmly connected to the armature (8) and which bridges an air gap (18) for a permanent magnetic locking field in the end position of the armature (8), whereby the magnetic locking field is produced independently from the magnetic driving field by at least one locking magnet (16) which is associated with a pull-off coil (17) through which current can flow independently of the conductor in order to pull the armature out of its end position.

Description

Beschreibungdescription
Elektromagnetischer Antrieb für SchaltgeräteElectromagnetic drive for switching devices
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb für einen Schalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungstechnik, mit einer Antriebseinheit, die einen Magnetkörper, einen zumindest teilweise in diesem beweglich angeordneten Anker, wenigstens einen ein permanentes Antriebsmagnetfeld erzeugenden Antriebsmagneten, und wenigstens einen sich zumindest teilweise in dem Antriebsmagnetfeld erstreckenden Leiter aufweist, wobei eine Verriegelungseinheit zur Verriegelung des Ankers in wenigstens einer Endstellung vorgesehen ist.The invention relates to an electromagnetic drive for a switch, in particular in the field of medium-voltage technology, with a drive unit that has a magnetic body, an armature that is at least partially movably arranged in it, at least one drive magnet that generates a permanent drive magnetic field, and at least one that is at least partially in the drive magnetic field extending conductor, wherein a locking unit is provided for locking the armature in at least one end position.
Ein solcher elektromagnetischer Antrieb ist beispielsweise aus der DE 198 15 538 AI bekannt. Der dort offenbarte Antrieb weist einen Drehstromlinearmotor auf, der aus mehreren Motormodulen zusammengesetzt ist. Das Motormodul weist eine be- stimmte 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 Lorentzkraft 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.Such an electromagnetic drive is known for example from DE 198 15 538 AI. The drive disclosed there has a three-phase linear motor, which is composed of several motor modules. The motor module has a certain number of fixed motor coils and, in this regard, moving parts with longitudinal magnets that are guided in a longitudinally movable manner. The excitation of the motor coils creates a magnetic field in which the permanent magnets of the moving part are arranged. Due to the Lorentz force generated, there is a drive movement of the moving part, which is connected to the moving contact of a switch via a switching rod. To switch on the vacuum switch, the moving contact is pressed by the three-phase linear motor against a fixed contact of the switch, the moving part reaching an end position.
Aus der WO 95/07542 ist ein elektromagnetischer Antrieb bekannt, der ein rahmenförmig geschlossen verlaufenes Joch aus weichmagnetischem Material aufweist, das zur Vermeidung vonAn electromagnetic drive is known from WO 95/07542, which consists of a yoke running in a closed frame has soft magnetic material, which to avoid
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.Eddy currents are composed of lamellae in stacks. The yoke forms a cavity in which an armature made of soft magnetic material is movably guided between two end positions. In each end position, the armature contacts the soft magnetic yoke with one of its end faces, an air gap being defined between the other end face of the armature opposite the contact point and the closed, peripheral yoke. Furthermore, two coils are fastened in the cavity of the yoke, each of which surrounds one of the end faces of the armature. Permanent magnets for generating a magnetic flux are provided between the coils. Due to the air gap, the anchor remains fixed in the respective end position. Due to the excitation of the coil, which encloses the end face on the air gap side, such a high magnetic flux is generated in the air gap that, in order to reduce the magnetic resistance, the armature is torn from the yoke and, with the air gap closed, is transferred to its second stable end position, in which it with its other face, which previously limited the air gap, bears against the yoke. The excitation current of the coil can now be interrupted since the armature is also fixed in this end position.
Die beiden zuvor beschriebenen vorbekannten Magnetantriebe fußen auf unterschiedlichen physikalischen Effekten. Der e- lektromagnetische Antrieb gemäß der DE 198 15 538 AI nutzt zur Erzeugung der Antriebswirkung die sogenannte Lorentz- kraft, die bei Bewegung geladener Teilchen in einem Magnet- feld 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 oder überbrückt 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.The two previously known magnetic drives are based on different physical effects. The electromagnetic drive according to DE 198 15 538 AI uses the so-called Lorentz force to generate the drive effect, which occurs when charged particles move in a magnetic field. The effect of an electromagnetic drive according to WO 95/07542 is due to the physical effect that a magnetic field is preferably in a material with a high magnetic permeability or, in other words, spreads in a material with a low magnetic resistance. By moving the armature, the entire system is transferred from an energetically unfavorable state with a high magnetic potential to an energetically more favorable state in which an air gap is closed or bridged and the magnetic flux almost exclusively penetrates a material with low magnetic resistance. The force for converting the system into the energetically favorable state results from gradient formation. Drives based on such an effect are also called reluctance drives.
Elektromagnetische Antriebe, die auf der Lorentzkraft 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 fi- xiert werden müssen. Hierzu werden üblicherweise Federn,Electromagnetic drives, which are based on the Lorentz force, have a high dynamic and can also be controlled in a simple manner, namely via the current conducted through the magnetic field. However, it is disadvantageous that these drives do not assume stable end positions or intermediate positions, but if necessary must be fixed in the end positions provided in each case by additional means. Usually springs are used for this,
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 be- einflusst werden kann.Jacks or the like used, the force effect can be canceled only with effort. Reluctance drives are usually characterized by a stable end position fixation. However, they have the disadvantage of a strongly non-linear path-force characteristic, which can either be influenced only with difficulty or at the expense of the holding force in the end positions or at the expense of the installation space.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, 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 die Verriegelungseinheit wenigstens ein fest mit dem Anker verbundenes weichmagnetisches Bewegteil aufweist, das in jeder Endstel- lung des Ankers einen Luftspalt für ein permanentes Verriegelungsmagnetfeld überbrückt, wobei das Verriegelungsmagnetfeld unabhängig vom Antriebsmagnetfeld durch wenigstens einen Verriegelungsmagneten erzeugt ist, dem eine unabhängig von dem Leiter bestrombare Abreißspule zum Herausführen des Ankers aus einer Endstellung zugeordnet ist.The object of the invention is therefore to provide an electromagnetic drive of the type mentioned at the outset, which can be fixed in its end positions in a simple manner, but the simple control of the drive movement is retained. The invention achieves this object in that the locking unit has at least one soft-magnetic moving part which is firmly connected to the armature and bridges an air gap for a permanent locking magnetic field in each end position of the armature, the locking magnetic field being generated independently of the drive magnetic field by at least one locking magnet, which is assigned a tear-off coil which can be energized independently of the conductor for leading the armature out of an end position.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb umfasst eine Antriebseinheit und eine Verriegelungseinheit, deren Leiter bzw. Spulen unabhängig voneinander bestro t werden können. Auf diese Weise ist der erfindungsgemäße Antrieb beliebig steuerbar und kann an nahezu jede Anforderung angepasst werden. Gleichzeitig ist eine elektromagnetische Verriegelung wenigstens einer Endlage des Ankers der Antriebseinheit bereitgestellt, so dass auf eine kostenintensive und wartungs- anfällige mechanische Verriegelungseinheit verzichtet werden kann. Durch die Überbrückung des in der Verriegelungseinheit vorgesehenen Luftspaltes wird der magnetische Widerstand für das von dem Verriegelungsmagneten erzeugte Verriegelungsmagnetfeld herabgesetzt oder minimiert, so dass ein Verschieben des Ankers aus dieser Endstellung nur entgegen einer Reluktanzkraft der Verriegelungseinheit ermöglicht ist. In der Endstellung des Ankers liegt das Bewegteil beispielsweise an den den Luftspalt begrenzenden Bereichen der Verriegelungseinheit an, so dass diese Bereiche einen Anschlag ausbilden, der eine weitere Bewegung des Ankers verhindert.The electromagnetic drive according to the invention comprises a drive unit and a locking unit, the conductors or coils of which can be scanned independently of one another. In this way, the drive according to the invention can be controlled as desired and can be adapted to almost any requirement. At the same time, electromagnetic locking of at least one end position of the armature of the drive unit is provided, so that a cost-intensive and maintenance-prone mechanical locking unit can be dispensed with. By bridging the air gap provided in the locking unit, the magnetic resistance for the locking magnetic field generated by the locking magnet is reduced or minimized, so that displacement of the armature from this end position is only possible against a reluctance force of the locking unit. In the end position of the armature, the moving part rests, for example, on the regions of the locking unit which delimit the air gap, so that these regions form a stop which prevents further movement of the armature.
Darüber hinaus ist es auch möglich, den Anker - und damit auch das Bewegteil - fest mit dem Bewegkontakt einer Vakuum- schaltröhre zu verbinden. In einer Kontaktstellung der Vakuumschaltröhre liegt der Bewegkontakt an dem ortsfesten Festkontakt der Vakuumschaltröhre an. Aufgrund der festen Verbindung mit dem Anker ist durch das Aufeinandertreffen der Kon- takte ebenfalls eine Endlage des Ankers definiert. Befindet sich der Anker in einer solchen Endlage ist es keinesfalls notwendig, dass das Bewegteil ebenfalls an den den Luftspalt begrenzenden weichmagnetischen Bereichen der Verriegelungseinheit anliegt. Vielmehr kann das Bewegteil von den den Luftspalt begrenzenden Bereichen der Verriegelungseinheit beabstandet sein.In addition, it is also possible to fix the anchor - and thus also the moving part - firmly with the moving contact of a vacuum to connect the switching tube. In a contact position of the vacuum interrupter, the moving contact rests on the stationary contact of the vacuum interrupter. Due to the fixed connection with the armature, an end position of the armature is also defined by the contact of the contacts. If the armature is in such an end position, it is by no means necessary for the moving part also to rest against the soft-magnetic areas of the locking unit that delimit the air gap. Rather, the moving part can be spaced from the regions of the locking unit that delimit the air gap.
Durch das unabhängige Bestromen des Leiters der Antriebseinheit einerseits sowie der Abreißspulen der Verriegelungsein- heit andererseits ist es beispielsweise möglich, die Wirkung der Reluktanzkraft, also die Wirkung der Verriegelungsmagnete bei der Antriebsbewegung nahezu vollständig aufzuheben, indem durch die Abreißspulen ein das Verriegelungsmagnetfeld neutralisierendes Abreißmagnetfeld gerade dann erzeugt wird, wenn der Anker sich im Bereich einer Endstellung befindet, aus der heraus er bewegt werden soll.Due to the independent energization of the conductor of the drive unit on the one hand and the tear-off coils of the locking unit on the other hand, it is possible, for example, to almost completely cancel out the effect of the reluctance force, that is to say the effect of the locking magnets during the drive movement, by a tear-off magnetic field neutralizing the locking magnetic field precisely then is generated when the armature is in the region of an end position from which it is to be moved.
Erfindungswesentlich ist ferner, dass das Bewegteil aus einem Material besteht, das einen gegenüber dem Luftspalt geringe- ren magnetischen Widerstand aufweist. Hierbei kommen beliebige ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Mumetall, Nickel-Eisen- Legierungen in Betracht. Als weichmagnetisch werden Materialien bezeichnet, die ihre magnetischen Eigenschaften nach dem Abschalten des Magnetfeldes verlieren, die diese magnetischen Eigenschaften erzeugen. Weichmagnetische Materialien weisen daher eine schlanke Hysteresekurve und somit eine geringe Koerzitivfeidstärke auf. Vorteilhafterweise ist der Verriegelungskörper zweiteilig ausgebildet und beidseitig des Bewegteils angeordnet. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung sind zwei Endlagen des Ankers definiert, da der Bewegungsraum des fest mit dem Anker verbundenen Bewegteils von zwei Seiten begrenzt ist. Wird der Anker gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung somit zum Antrieb einer Vakuumschaltröhre eingesetzt, ist sowohl die Kontaktstellung der Vakuumschaltröhre, in der ein Stromfluss über die Vakuumschaltröhre möglich ist, als auch die Trennstellung, in der die Kontakte voneinander beabstandet sind, verriegelt.It is also essential to the invention that the moving part consists of a material which has a lower magnetic resistance than the air gap. Any ferromagnetic substances such as iron, mum metal, nickel-iron alloys can be considered. Materials that lose their magnetic properties after switching off the magnetic field and that generate these magnetic properties are referred to as soft magnetic. Soft magnetic materials therefore have a slim hysteresis curve and thus a low coercive field strength. The locking body is advantageously formed in two parts and arranged on both sides of the moving part. According to this advantageous further development of the invention, two end positions of the armature are defined, since the movement space of the moving part which is fixedly connected to the armature is limited from two sides. If the armature according to this further development of the invention is thus used to drive a vacuum interrupter, both the contact position of the vacuum interrupter, in which current can flow through the vacuum interrupter, and the disconnected position, in which the contacts are spaced apart, are locked.
Vorteilhafterweise sind zwischen der Verriegelungseinheit und der Antriebseinheit Mittel zum Isolieren eines magnetischen Flusses vorgesehen. Durch diese Isolierungsmittel sind Verriegelungseinheit und Antriebseinheit magnetisch voneinander getrennt, da durch die Isolierungsmittel ein Übergreifen des Antriebsmagnetfeldes und somit eine unvorteilhafte Wechselwirkung mit dem Verriegelungsmagnetfeld oder sogar mit dem Abreißmagnetfeld verhindert ist. Als Mittel zum Isolieren eines magnetischen Flusses eignen sich nicht-ferromagnetische Stoffe mit einer Permeabilität im Bereich von oder kleiner als 1, wie z.B. Luft oder Aluminium.Means for isolating a magnetic flux are advantageously provided between the locking unit and the drive unit. The locking unit and the drive unit are magnetically separated from one another by these insulation means, since the insulation means prevents the drive magnetic field from reaching over and thus an unfavorable interaction with the locking magnetic field or even with the tear-off magnetic field. Suitable means for isolating a magnetic flux are non-ferromagnetic substances with a permeability in the range of or less than 1, e.g. Air or aluminum.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung sind jeder Verriegelungsmagnet und jede Abreißspule an dem Verriegelungskörper angeordnet. Auf diese Weise werden Verriegelungsmagnet und Abreißspule von dem beim Antrieb unbeweglichen Verriegelungskörper gehalten, so dass eine Bewegung dieser empfindlichen Bauteile beispielsweise beim Schalten einer Vakuumröhre vermieden ist. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung wird daher die Wartungsanfälligkeit des elektromagnetischen Antriebes herabgesetzt. Zweckmäßigerweise weist der Anker einen Spulenträger aus einem isolierenden Material auf, wobei der Leiter als Wicklung auf dem Spulenträger angeordnet ist. Gemäß dieser Weiterent- wicklung ist der elektromagnetische Antrieb ein Hubantrieb. Der Spulenträger ist beispielsweise als Rohrstutzen oder mit anderen Worten rohrförmig ausgebildet.According to a preferred further development, each locking magnet and each tear-off coil are arranged on the locking body. In this way, the locking magnet and tear-off coil are held by the locking body which is immobile during the drive, so that movement of these sensitive components is avoided, for example when switching a vacuum tube. According to this advantageous development, the susceptibility to maintenance of the electromagnetic drive is therefore reduced. The armature expediently has a coil carrier made of an insulating material, the conductor being arranged as a winding on the coil carrier. According to this further development, the electromagnetic drive is a linear drive. The coil carrier is designed, for example, as a pipe socket or in other words tubular.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung besteht der Magnetkörper aus dem Antriebsmagneten sowie einem weichmagnetischen Joch, wobei das Antriebsmagnetfeld eine in dem Magnetkörper vorgesehene Ausnehmung durchsetzt, in der der Leiter des Bewegteils zumindest teilweise angeordnet ist. Gemäß dieser Weiterentwicklung der Erfindung kommt es zur Bewe- gung der Spule, wohingegen der empfindlichere und schwerere Permanentmagnet ortsfest in dem Magnetkörper angeordnet ist. Durch die Vermeidung der Bewegung des Permanentmagneten wird - wie bereits erläutert - die Lebensdauer erhöht bzw. die Wartungsanfälligkeit herabgesetzt. Aufgrund der Spulenbewe- gung wird das diesem Antrieb zugrunde liegende Prinzip auch Tauchspulenprinzip genannt.According to a further advantageous development, the magnetic body consists of the drive magnet and a soft magnetic yoke, the drive magnetic field passing through a recess provided in the magnetic body, in which the conductor of the moving part is at least partially arranged. According to this further development of the invention, the coil moves, whereas the more sensitive and heavier permanent magnet is arranged stationary in the magnet body. By avoiding the movement of the permanent magnet, as already explained, the service life is increased or the susceptibility to maintenance is reduced. Due to the coil movement, the principle underlying this drive is also called the moving coil principle.
Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb eine Steuereinheit zur Erzeugung vorgegebener zeitabhängiger Steuersignale, eine stromverstärkende Aktuato- rendstufe zur Speisung des Leiters in Abhängigkeit der Steuersignale und wenigstens eine stro verstärkende Spulenendstufe zur Speisung einer zugeordneten Abreißspule in Abhängigkeit der Steuersignale auf. Die bei dieser erfindungsgemäßen Weiterentwicklung eingesetzten Endstufen sind zur Verstärkung der Ausgangssignale der Steuereinheit vorgesehen, deren Signalstärke zur Speisung der Spulen oder Leiter nicht ausreichend ist. In der Steuereinheit sind den jeweiligen Erforder- nissen der Praxis entsprechende Steuerdaten abgelegt, nach deren Muster die zeitabhängigen Steuersignale erzeugt werden. Mit Hilfe dieser Steuerung ist eine besonders einfache Einstellung beliebiger Kraft-Weg-Kennlinien des elektromagneti- sehen Antriebes ermöglicht.The electromagnetic drive according to the invention advantageously has a control unit for generating predetermined time-dependent control signals, a current-amplifying actuator output stage for supplying the conductor as a function of the control signals and at least one stro-amplifying coil output stage for supplying an assigned tear-off coil as a function of the control signals. The output stages used in this further development according to the invention are provided for amplifying the output signals of the control unit, the signal strength of which is not sufficient to supply the coils or conductors. In the control unit, the respective requirements Practical control data is stored, according to the pattern of which the time-dependent control signals are generated. With the help of this control, a particularly simple setting of any force-displacement characteristics of the electromagnetic drive is made possible.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes, bei dem die Verriegelungsspulen in Abhängigkeit des Stromes des Leiters bestromt werden. Auf diese Weise kann eine gegenseitige Beeinflussung nahezu vollständig ausgeschlossen werden.The invention further relates to a method for controlling the electromagnetic drive according to the invention, in which the locking coils are energized as a function of the current of the conductor. In this way, mutual interference can be almost completely ruled out.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei sich entsprechende Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind undFurther expedient refinements and advantages of the invention are the subject of the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures of the drawings, corresponding components being provided with the same reference symbols and
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer quer geschnittenen Ansicht undFigure 1 shows an embodiment of the electromagnetic drive according to the invention in a cross-sectional view
Figur 2 eine Steuerung des elektromagnetischen Antriebes gemäß Figur 1 zeigen.Figure 2 shows a control of the electromagnetic drive according to Figure 1.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes 1 in einer geschnittenen Darstellung. Der elektromagnetische Antrieb 1 weist eine An- triebseinheit 2 sowie eine Verriegelungseinheit 3 auf, die über Isolierungsmittel miteinander verbunden sind, die hier als ringförmiger Aluminium-Block 4 ausgebildet sind. Die Isolierungsmittel sind zum Isolieren der Magnetfelder in der An- triebseinheit 2 gegenüber Magnetfeldern in der Verriegelungseinheit 3 und umgekehrt vorgesehen.Figure 1 shows an embodiment of the electromagnetic drive 1 according to the invention in a sectional view. The electromagnetic drive 1 has a drive unit 2 and a locking unit 3, which are connected to one another via insulation means, which are designed here as an annular aluminum block 4. The insulation means are used to isolate the magnetic fields in the Drive unit 2 against magnetic fields in the locking unit 3 and vice versa.
Die Antriebseinheit 2 umfasst einen Magnetkörper, der aus ei- nem ein permanentes Antriebsmagnetfeld erzeugenden Antriebsmagneten 5 sowie einem fest mit dem Antriebsmagneten 5 verbundenes weichmagnetisches Joch 6 besteht. In dem Magnetkörper 5, 6 ist eine ringförmige Ausnehmung 7 vorgesehen, in die hinein sich ein Teil eines Ankers 8 erstreckt. Dabei weist der Anker 8 einen becherförmigen Spulenträger 9 aus einemThe drive unit 2 comprises a magnetic body, which consists of a drive magnet 5 which generates a permanent drive magnetic field and a soft magnetic yoke 6 which is fixedly connected to the drive magnet 5. An annular recess 7 is provided in the magnetic body 5, 6, into which part of an armature 8 extends. The armature 8 has a cup-shaped coil carrier 9 from a
Isoliermaterial auf, dessen rohrförmiger Abschnitt Wicklungen eines Leiters trägt. Durch diese Wicklungen des Leiters sind Antriebsspulen 10 ausgebildet.Insulating material, the tubular portion of which carries windings of a conductor. Drive coils 10 are formed by these windings of the conductor.
Der Anker 8 ist über Querverstrebungen 11 des Spulenträgers 9 fest mit einer Bewegungsübertragungsstange 12 verbunden, die mittels üblicher Lager in ihrer Längsrichtung beweglich in dem elektromagnetischen Antrieb 1 gehalten ist.The armature 8 is fixedly connected to a movement transmission rod 12 via transverse struts 11 of the coil carrier 9, which is held in the electromagnetic drive 1 so that it can move in its longitudinal direction by means of conventional bearings.
Die Verriegelungseinheit 3 weist einen zweiteiligen weichmagnetischen Verriegelungskörper 14 auf, der beidseitig eines aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Bewegteils 15 angeordnet ist, wobei das Bewegteil 15 fest mit der Bewegungsübertragungsstange 12 und somit fest mit dem Anker 8 verbunden ist. Als weichmagnetisches Material wurde bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl für den Verriegelungskörper 4 als auch für das Bewegteil 15 ferromagnetischer Stahl eingesetzt. In jedem Abschnitt oder Teil des Verriegelungskörpers 14 und somit zu beiden Seiten des Bewegteils 15 sind Verrie- gelungsmagnete 16 erkennbar, die ein in Bewegungsrichtung des Ankers 8 verlaufendes axiales Verriegelungsmagnetfeld erzeugen. Dabei sind die Verriegelungsmagnete 16 jeweils konzentrisch von einer Abreißspule 17 umgeben. Durch das Bewegteil 15 und den Verriegelungskörper 14 sind Luftspalte 18 begrenzt, die von dem Verriegelungsmagnetfeld in Bewegungsrichtung des Bewegteils 15 im Wesentlichen axial durchsetzt sind.The locking unit 3 has a two-part soft magnetic locking body 14 which is arranged on both sides of a moving part 15 made of a soft magnetic material, the moving part 15 being fixedly connected to the movement transmission rod 12 and thus firmly connected to the armature 8. In this exemplary embodiment, ferromagnetic steel was used as the soft magnetic material both for the locking body 4 and for the moving part 15. In each section or part of the locking body 14 and thus on both sides of the moving part 15, locking magnets 16 can be seen, which generate an axial locking magnetic field running in the direction of movement of the armature 8. The locking magnets 16 are each concentrically surrounded by a tear-off coil 17. Through the moving part 15 and the locking body 14, air gaps 18 are delimited, which are penetrated essentially axially by the locking magnetic field in the direction of movement of the moving part 15.
Durch die Antriebseinheit 2 wird eine Antriebsbewegung aufgrund einer Lorentzkraft erzeugt. Dazu wird das ebenfalls in Längsrichtung des Ankers 8 erzeugte permanente und axiale Antriebsmagnetfeld, dessen Feldlinien in dem Antriebsmagneten 5 angedeutet sind, über das weichmagnetische Joch 6 geführt, wobei es die in der Ausnehmung 7 des Magnetkörpers angeordneten Spulen 10 des Ankers 8 in Querrichtung durchsetzt. Bei Bestromung der Spulen wird daher eine Hubbewegung des Ankers 8 erzeugt, die über die Bewegungsübertragungsstange 12 in das Bewegteil 15 eingeleitet wird. Das Bewegteil 15 wird daher je nach Richtung der Hubbewegung auf einen der beiden Abschnitte des Verriegelungskörpers 14 zu bewegt, wodurch sich einer der zwischen dem Bewegteil 15 und dem Verriegelungskörper 14 ausgebildeten Luftspalte 18 verkleinert. Die Verkleinerung dieses Luftspaltes 18 bewirkt ein Absenken des magnetischen Wi- derstandes für das von einem der Verriegelungsmagnete 16 erzeugte axiale Verriegelungsmagnetfeld. Dieser Effekt beruht darauf, dass der Verriegelungskörper 14 aus einem ferromagne- tischen Material, also einem Material mit einer Permeabilität wesentlich größer als 1, besteht, der Luftspalt 18 hingegen mit Luft, also einem Stoff, gefüllt ist, der eine relative Permeabilität von 1 aufweist. Stößt das Bewegteil an einen der Teile des Verriegelungskörpers 14 an, so hat der Anker 8 eine seiner Endstellungen erreicht, die durch die über Luftspaltverkleinerung erzeugte Reluktanzkraft verriegelt ist. Zum Abreißen des Ankers 8 aus dieser Endstellung wird die Abreißspule 17 erregt, die denjenigen Verriegelungsmagneten 16 konzentrisch umgibt, an dem das Bewegteil 15 anliegt. Die Wirkung dieses Verriegelungsmagneten 16 wird durch das von der Abreißspule 17 erzeugte Abreißmagnetfeld geschwächt oder aufgehoben, so dass mittels der Antriebseinheit 2 ein Herausführen des Ankers 8 aus der Endstellung ermöglicht ist. Der Anker 8 kann nunmehr solange in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden, bis er an dem gegenüberliegenden Abschnitt des Verriegelungskörpers 14 anstößt und seine zweite Endlage erreicht. Auch in dieser Endstellung ist der magnetische Widerstand für das Verriegelungsmagnetfeld minimiert, da nunmehr der andere in Bewegungsrichtung gegenüberliegende Luftspalt 18 überbrückt ist.The drive unit 2 generates a drive movement based on a Lorentz force. For this purpose, the permanent and axial drive magnetic field, also generated in the longitudinal direction of the armature 8, the field lines of which are indicated in the drive magnet 5, is guided over the soft magnetic yoke 6, passing through the coils 10 of the armature 8 arranged in the recess 7 of the magnet body in the transverse direction. When the coils are energized, a lifting movement of the armature 8 is therefore generated, which is introduced into the moving part 15 via the movement transmission rod 12. Depending on the direction of the lifting movement, the moving part 15 is therefore moved toward one of the two sections of the locking body 14, as a result of which one of the air gaps 18 formed between the moving part 15 and the locking body 14 is reduced. The reduction in this air gap 18 causes a lowering of the magnetic resistance for the axial locking magnetic field generated by one of the locking magnets 16. This effect is based on the fact that the locking body 14 consists of a ferromagnetic material, that is to say a material with a permeability substantially greater than 1, while the air gap 18 is filled with air, that is to say a substance which has a relative permeability of 1 , If the moving part abuts one of the parts of the locking body 14, the armature 8 has reached one of its end positions, which is locked by the reluctance force generated by reducing the air gap. To tear off the armature 8 from this end position, the tear-off coil 17 is excited, which concentrically surrounds the locking magnet 16 against which the moving part 15 rests. The effect of this locking magnet 16 is by the The tear-off magnetic field generated by the tear-off coil 17 is weakened or canceled, so that the armature 8 can be guided out of the end position by means of the drive unit 2. The armature 8 can now be moved in the opposite direction until it abuts the opposite section of the locking body 14 and reaches its second end position. In this end position, too, the magnetic resistance for the locking magnetic field is minimized, since the other air gap 18 opposite in the direction of movement is now bridged.
Figur 2 zeigt eine Steuerungseinheit 19 des elektromagnetischen Antriebes 1 gemäß Figur 1 in einer schematischen Darstellung. Die Steuerungseinheit 19 weist ein Interface 20 auf, welches ein eingehendes Ein- oder Ausschaltsignal 21 in ein von einer Steuerung 22 akzeptiertes Steuerungseingangssignal umwandelt. In der Steuerung 22 sind vorgegebene Signalmuster in Form von Signalintensitäten in Abhängigkeit der Zeit in einem Speicherbereich abgelegt. In Abhängigkeit eines ausgewählten vorgegebenen Signalmusters steuert die Steuerung 19 Haltemagnetendstufen 23 mit zeitabhängigen Stromwerten 24 an. Daraufhin werden die Abreißspulen 17 der Verriegelungseinheit 3 mit den durch die Haltemagnetendstufen 23 verstärkten Stromwerten 24 der Steuerung 19 gespeist.FIG. 2 shows a control unit 19 of the electromagnetic drive 1 according to FIG. 1 in a schematic illustration. The control unit 19 has an interface 20 which converts an incoming switch-on or switch-off signal 21 into a control input signal accepted by a controller 22. Predetermined signal patterns in the form of signal intensities as a function of time are stored in a memory area in the controller 22. Depending on a selected predefined signal pattern, the controller 19 controls holding magnet output stages 23 with time-dependent current values 24. Thereupon, the tear-off coils 17 of the locking unit 3 are fed with the current values 24 of the controller 19 which are amplified by the holding magnet output stages 23.
Die Steuerung 22 ist weiterhin mit einem Stromregler 25 verbunden, der einen von der Steuerung 22 aufgenommenen Stromsollwert 26 mit einem Stromistwert 27 vergleicht, der am Ausgang einer Aktuatorendstufe 28 abgegriffen wird. Bei Überein- Stimmung zwischen Stromsollwert 26 und Stromistwert 27 wird ein Freigabesignal 29 erzeugt. Die tatsächliche Weglage wird mit einem figürlich nicht dargestellten Messsystem erfasst. Durch diese Regelung der Steuerung ist daher eine besonders genaue Einstellung der Kraft-Weg-Kennlinie des elektromagnetischen Antriebes ermöglicht.The controller 22 is also connected to a current controller 25, which compares a current setpoint 26 received by the controller 22 with an actual current value 27, which is tapped at the output of an actuator output stage 28. If the current setpoint 26 and current actual value 27 agree, an enable signal 29 is generated. The actual position is recorded with a measuring system, not shown in the figure. This regulation of the control is therefore a special one precise setting of the force-displacement characteristic of the electromagnetic drive enables.
Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch mög- lieh, auf eine zusätzliche Regelung zu verzichten und die Ak- tuatorendstufe 28 ebenfalls direkt über die Steuerung 22 anzusteuern.Of course, it is also possible within the scope of the invention to dispense with additional regulation and to also control the actuator output stage 28 directly via the control 22.
Die Steuerung 22, die Aktuatorendstufe 28 und die Haltemag- netendstufe 23 sind mit einer in Figur 2 nur schematisch dargestellten Stromversorgung 31 verbunden, die eine zur Steuerung notwendige Betriebsenergie 30 bereitstellt. The controller 22, the actuator output stage 28 and the holding magnet output stage 23 are connected to a power supply 31, which is shown only schematically in FIG. 2 and provides an operating energy 30 necessary for the control.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektromagnetischer Antrieb (1) für einen Schalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungstechnik, mit ei- ner Antriebseinheit (2), die einen Magnetkörper (6), einen zumindest teilweise in diesem beweglich angeordneten Anker (8), wenigstens einen ein permanentes Antriebsmagnetfeld erzeugenden Antriebsmagneten (5) und wenigstens einen sich zumindest teilweise in dem Antriebsmagnetfeld erstreckenden Leiter (10) aufweist, wobei eine Verriegelungseinheit (3) zur Verriegelung des Ankers (8) in wenigstens einer Endstellung vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Verriegelungseinheit (3) wenigstens ein fest mit dem Anker (8) verbundenes weichmagnetisches Bewegteil (15) aufweist, das in jeder Endstellung des Ankers (8) einen Luftspalt (18) für ein permanentes Verriegelungsmagnetfeld überbrückt, wobei das Verriegelungsmagnetfeld unabhängig vom Antriebsmagnetfeld durch wenigstens einen Ver- riegelungsmagneten (16) erzeugt ist, dem eine unabhängig von dem Leiter bestrombare Abreißspule (17) zum Herausführen des Ankers (8) aus einer Endstellung zugeordnet ist.1. Electromagnetic drive (1) for a switch, in particular in the field of medium-voltage technology, with a drive unit (2) that has a magnetic body (6), an armature (8) that is at least partially movable in it, and at least one a permanent drive magnetic field Generating drive magnet (5) and at least one conductor (10) extending at least partially in the drive magnetic field, wherein a locking unit (3) for locking the armature (8) is provided in at least one end position, characterized in that the locking unit (3) at least has a soft magnetic moving part (15) firmly connected to the armature (8), which bridges an air gap (18) for a permanent locking magnetic field in each end position of the armature (8), the locking magnetic field being independent of the drive magnetic field by at least one locking magnet (16 ) is generated, which is independent of de m conductor can be supplied with a tear-off coil (17) for leading the armature (8) out of an end position.
2. Elektromagnetischer Antrieb (1) 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 Verriegelungseinheit (3) einen mit dem Magnetkörper verbundenen Verriegelungskörper (14) aufweist, wobei jeder Luftspalt (18) zwischen dem Verriegelungskörper (14) und dem Bewegteil (15) ausgebildet ist.2. Electromagnetic drive (1) according to claim 1, characterized in that the locking unit (3) has a locking body (14) connected to the magnetic body, each air gap (18) being formed between the locking body (14) and the moving part (15) ,
3. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Verriegelungskörper (14) zweiteilig ausgebildet und beidseitig des Bewegteils (15) angeordnet ist.3. Electromagnetic drive (1) according to claim 2, characterized in that the locking body (14) is formed in two parts and is arranged on both sides of the moving part (15).
4. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 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 jeder Verriegelungsmagnet (16) und jede Abreißspule (17) an dem Verriegelungskörper (14) angeordnet sind.4. Electromagnetic drive (1) according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that each locking magnet (16) and each tear-off coil (17) are arranged on the locking body (14).
5. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen der Verriegelungseinheit (3) und der Antriebseinheit (2) Mittel zum Isolieren eines magnetischen Flusses vorgesehen sind.5. Electromagnetic drive (1) according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that means for isolating a magnetic flux are provided between the locking unit (3) and the drive unit (2).
6. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Anker (8) einen Spulenträger (9) aus einem isolieren- den Material aufweist, wobei der Leiter als auf dem Spulenträger (9) angeordnete Wicklung (10) ausgebildet ist.6. Electromagnetic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the armature (8) has a coil carrier (9) made of an insulating material, the conductor being designed as a winding (10) arranged on the coil carrier (9) is.
7. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Magnetkörper aus dem Antriebsmagneten (5) sowie einem weichmagnetischen Joch (6) besteht, wobei das Antriebsmagnetfeld eine in dem Magnetkörper vorgesehene Ausnehmung (7) durchsetzt, in der der Leiter (10) zumindest teilweise angeordnet ist.7. Electromagnetic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic body consists of the drive magnet (5) and a soft magnetic yoke (6), wherein the drive magnetic field passes through a recess provided in the magnetic body (7) in which the Conductor (10) is at least partially arranged.
8. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Steuereinheit (22) zur Erzeugung vorgegebener zeitabhängiger Steuersignale, eine stromverstärkende Aktua- torendstufe (28) zur Speisung des Leiters (10) in Abhän- gigkeit der Steuersignale und wenigstens eine stromverstärkende Spulenendstufe (23) zur Speisung einer zugeordneten Abreißspule (17) in Abhängigkeit der Steuersignale.8. Electromagnetic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized by a control unit (22) for generating predetermined time-dependent control signals, a current-amplifying actuator output stage (28) for feeding the conductor (10) as a function of the control signals and at least one current-amplifying coil output stage (23) for feeding an assigned tear-off coil (17) in Dependence of the control signals.
9. Verfahren zum Steuern eines elektromagnetischen Antrie- bes (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Abreißspulen (17) in Abhängigkeit des Stromes des Leiters (10) erregt werden, so dass' der elektromagnetische Antrieb (1) eine vorbestimmte Kraft-Weg-Kennlinie aufweist . 9. A method for controlling an electromagnetic drive (1) according to one of claims 1 to 8, in which the tear-off coils (17) are excited as a function of the current of the conductor (10), so that ' the electromagnetic drive (1) one has predetermined force-displacement characteristic.
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