EP1590822B1 - Elektromagnetischer antrieb für schaltgeräte - Google Patents

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EP1590822B1
EP1590822B1 EP04706610A EP04706610A EP1590822B1 EP 1590822 B1 EP1590822 B1 EP 1590822B1 EP 04706610 A EP04706610 A EP 04706610A EP 04706610 A EP04706610 A EP 04706610A EP 1590822 B1 EP1590822 B1 EP 1590822B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
locking
drive
armature
electromagnetic drive
magnet
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP04706610A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1590822A1 (de
Inventor
Peter-Klaus Budig
Ralf Werner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1590822A1 publication Critical patent/EP1590822A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1590822B1 publication Critical patent/EP1590822B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6662—Operating arrangements using bistable electromagnetic actuators, e.g. linear polarised electromagnetic actuators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/066—Electromagnets with movable winding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H53/00—Relays using the dynamo-electric effect, i.e. relays in which contacts are opened or closed due to relative movement of current-carrying conductor and magnetic field caused by force of interaction between them
    • H01H53/01—Details
    • H01H53/015—Moving coils; Contact-driving arrangements associated therewith

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic drive for a switch, in particular in the field of medium voltage engineering, with a drive unit comprising a magnetic body, an at least partially movably arranged in this armature, at least one permanent magnetic drive field generating drive magnet, and at least one at least partially in the drive magnetic field having extending conductor, wherein a locking unit is provided for locking the armature in at least one end position.
  • Such an electromagnetic drive is for example from the DE 198 15 538 A1 known.
  • the disclosed there drive 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 longitudinally movably guided moving parts with permanent magnets.
  • the excitation of the motor coils creates a magnetic field in which the permanent magnets of the moving part are arranged.
  • Due to the generated Lorentz force there is a drive movement of the moving part, which is connected via a switching rod with the moving contact of a switch.
  • the moving contact is pressed by the three-phase linear motor against a fixed contact of the switch, wherein the moving part reaches an end position.
  • This drive has a drive unit, which has a magnetic body, an at least partially movably arranged in this armature, a drive magnetic field generating coil and at least one at least partially extending in the drive magnetic field conductor. Furthermore, a locking unit for locking the armature is provided in at least one end position, wherein the locking unit has at least one soft magnetic moving part fixedly connected to the armature, which bridges an air gap for a locking magnetic field in each end position of the armature.
  • an electromagnetic drive which is a frame-shaped closed yoke having soft magnetic material which is stacked to avoid eddy currents from lamellae.
  • the yoke forms a cavity in which an existing of soft magnetic material anchor 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 circumferential yoke.
  • In the cavity of the yoke further two coils are fixed, each surrounding one of the end faces of the armature. Between the coils permanent magnets for generating a magnetic flux are provided.
  • the anchor Due to the air gap, the anchor remains fixed in the respective end position. Due to the excitation of the coil, which encloses the air-gap side end, in the air gap, a high magnetic flux is generated that demolished to reduce the magnetic resistance of the armature yoke and is transferred with closure of the air gap in its second stable end position in which he with its other end face, which previously limited the air gap, rests against the yoke. The exciting current of the coil can now be interrupted, since the armature is fixed in this end position.
  • the two prior art magnetic drives described above are based on different physical effects.
  • the electromagnetic drive according to the DE 198 15 538 A1 uses the so-called Lorentz force, which arises when moving charged particles in a magnetic field to generate the driving effect.
  • the effect of an electromagnetic drive according to the WO 95/07542 is due to the physical effect that a magnetic field preferably in a material with a high magnetic permeability or, in other words, propagates in a material having a low magnetic resistance.
  • the entire system is converted from an energetically unfavorable state with a high magnetic potential into an energetically more favorable state in which an air gap is closed or bridged and the magnetic flux passes almost exclusively through a material with low magnetic resistance.
  • the power to transfer the system into the energetically favorable state results from the formation of gradients.
  • Drives based on such an effect are also called reluctance drives.
  • Electromagnetic actuators based on the Lorentz force have a high dynamic and can moreover be controlled in a simple manner, namely via the current conducted through the magnetic field.
  • springs, pawls or the like are usually used, the force effect is to be lifted only with effort.
  • Reluctance drives are usually characterized by a stable end position fixation. However, they are liable to the disadvantage of a highly non-linear path-force curve, which can either be difficult or at the expense of the holding force in the end positions or at the expense of space can be influenced.
  • the object of the invention is therefore to provide an electromagnetic drive of the type mentioned, which can be fixed in its end positions in a simple manner, but the simple control of the drive movement is maintained.
  • the invention solves this problem in that the locking magnetic field is generated independently of the drive magnetic field by at least one locking magnet, which is associated with an independently energizable from the conductor Abr foundedspule for leading out the armature from an end position.
  • the electromagnetic drive according to the invention comprises a drive unit and a locking unit whose conductors or coils can be energized independently of each other.
  • the drive according to the invention is arbitrarily controllable and can be adapted to almost any requirement.
  • an 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.
  • the magnetic resistance for the locking magnetic field generated by the locking magnet is reduced or minimized, so that a displacement of the armature from this end position is only possible against a reluctance force of the locking unit.
  • the moving part In the end position of the armature, the moving part abuts against, for example, the areas of the locking unit delimiting the air gap, so that these areas form a stop which prevents further movement of the armature.
  • the anchor - and thus the moving part - fixed to the moving contact of a vacuum interrupter connect to.
  • the moving contact is applied to the stationary fixed contact of the vacuum interrupter.
  • Due to the fixed connection with the anchor is also defined by the meeting of the contacts an end position of the armature. If the armature is in such an end position, it is by no means necessary that the moving part also bears against the soft-magnetic regions of the locking unit delimiting the air gap. Rather, the moving part of the air gap limiting areas of the locking unit may be spaced.
  • the moving part consists of a material which has a lower magnetic resistance than the air gap.
  • any ferromagnetic substances such as iron, mumetal, nickel-iron alloys come into consideration.
  • Soft magnetic refers to materials that lose their magnetic properties after switching off the magnetic field that generates these magnetic properties. Soft magnetic materials therefore have a slim hysteresis curve and thus a low coercive field strength.
  • the locking body is formed in two parts and arranged on both sides of the moving part.
  • two end positions of the armature are defined, since the movement space of the moving part fixedly connected to the armature is limited from two sides. If the armature according to this further development of the invention thus used to drive a vacuum interrupter, both the contact position of the vacuum interrupter, in which a current flow through the vacuum interrupter is possible, as well as the disconnected position in which the contacts are spaced apart, locked.
  • means for isolating a magnetic flux are provided between the locking unit and the drive unit.
  • locking unit and drive unit are magnetically separated from each other, as is prevented by the insulating means overreach of the drive magnetic field and thus a disadvantageous interaction with the locking magnetic field or even with the Abr regardingmagnetfeld.
  • non-ferromagnetic materials having a permeability in the range of or less than 1, e.g. Air or aluminum.
  • each locking magnet and each tear-off coil are arranged on the locking body.
  • locking magnet and Abr foundedspule be held by the immovable during the drive locking body, so that movement of these sensitive components, for example, when switching a vacuum tube is avoided.
  • this advantageous development therefore, the maintenance susceptibility of the electromagnetic drive is reduced.
  • the armature has a coil carrier made of an insulating material, wherein the conductor is arranged as a winding on the coil carrier.
  • the electromagnetic drive is a linear actuator.
  • the bobbin is formed, for example, as a pipe socket or in other words tubular.
  • the magnetic body of the drive magnet and a soft magnetic yoke wherein the drive magnetic field passes through a provided in the magnetic body recess in which the head of the moving part is at least partially disposed.
  • the movement of the coil occurs, whereas the more sensitive and heavier permanent magnet is arranged stationarily in the magnetic body.
  • the principle underlying this drive is also called the dive coil principle.
  • the electromagnetic drive according to the invention has a control unit for generating predetermined time-dependent control signals, a current-amplifying Aktuatorendrun for powering the conductor in response to the control signals and at least one current-boosting coil output stage for feeding an associated Abr foundedspule in response to the control signals.
  • the power amplifiers used in this development according to the invention are intended to amplify the output signals of the control unit whose signal strength is insufficient for feeding the coils or conductors.
  • the control unit are the respective requirements the practice of appropriate control data stored according to the pattern of the time-dependent control signals are generated. With the help of this control, a particularly simple adjustment of any force-displacement characteristics of the electromagnetic drive is possible.
  • 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, a mutual influence can be almost completely excluded.
  • FIG. 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 isolation means are for isolating the magnetic fields in the drive unit 2 with respect to magnetic fields in the locking unit 3 and vice versa provided.
  • the 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 fixedly connected to the drive magnet 5.
  • a magnetic body 5 which consists of a drive magnet 5 which generates a permanent drive magnetic field and a soft-magnetic yoke 6 fixedly connected to the drive magnet 5.
  • an annular recess 7 is provided, into which a part of an armature 8 extends.
  • the armature 8 has a cup-shaped coil carrier 9 made of an insulating material, the tubular portion carries windings of a conductor.
  • Drive coils 10 are formed by these windings of the conductor.
  • the armature 8 is connected via cross struts 11 of the bobbin 9 fixed to a motion transmission rod 12 which is held by means of conventional bearings in the longitudinal direction movable in the electromagnetic drive 1.
  • the locking unit 3 has a two-part soft-magnetic locking body 14 which is disposed on both sides of a moving part 15 made of a soft magnetic material, wherein the moving member 15 is fixedly connected to the movement transmission rod 12 and thus, fixed to the armature 8.
  • a soft magnetic material ferromagnetic steel was used in this embodiment, both for the Verriegelun-gs stresses 4 and for the moving part 15.
  • locking magnets 16 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 a running in the direction of movement of the armature 8 axial Verriegeluncsmagnetfeld.
  • the locking magnets 16 are each surrounded concentrically by a tear-off coil 17. Through the moving part 15 and the locking body 14 air gaps 18 are limited, which are penetrated by the locking magnetic field in the direction of movement of the moving member 15 is substantially axially.
  • a drive movement is generated due to a Lorentz force.
  • the permanent and axial drive magnetic field generated in the longitudinal direction of the armature 8 the field lines are indicated in the drive magnet 5, guided over the soft magnetic yoke 6, wherein it passes through the arranged in the recess 7 of the magnetic body coils 10 of the armature 8 in the transverse direction.
  • a lifting movement of the armature 8 is generated, which is introduced via the motion transmission rod 12 in the moving part 15.
  • the moving member 15 is therefore moved depending on the direction of the lifting movement to one of the two portions of the locking body 14, whereby one of the formed between the moving member 15 and the locking body 14 air column 18 decreases.
  • this air gap 18 causes a lowering of the magnetic resistance for the generated by one of the locking magnets 16 axial locking magnetic field.
  • 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, whereas 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 way of air gap reduction.
  • the Abr concernedspule 17 is energized, which concentrically surrounds those locking magnet 16 to which the moving member 15 is applied.
  • the effect of this locking magnet 16 is characterized by that of the Abr thoroughlyspule 17 weakened demagnetized magnetic field weakened or canceled, so that by means of the drive unit 2, a lead out of the armature 8 is made possible from the end position.
  • the armature 8 can now be moved in the opposite direction until it abuts against the opposite portion of the locking body 14 and reaches its second end position. Also in this end position of the magnetic resistance for the locking magnetic field is minimized, since now the other opposite in the direction of movement air gap 18 is bridged.
  • FIG. 2 shows a control unit 19 of the electromagnetic drive 1 according to FIG. 1 in a schematic representation.
  • the control unit 19 has an interface 20 which converts an incoming on or off signal 21 into a control input signal accepted by a controller 22.
  • a controller 22 In the controller 22, predetermined signal patterns in the form of signal intensities are stored as a function of time in a memory area.
  • the controller controls 19 Garmagnetendkinn 23 with time-dependent current values 24 at. Subsequently, the tear-off coils 17 of the locking unit 3 are fed with the current values 24 of the controller 19 amplified by the holding magnet output stages 23.
  • the controller 22 is further 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 match, an enable signal 29 is generated. The actual position is recorded with a measuring system not shown figuratively. This control of the control is therefore a special precise adjustment of the force-displacement characteristic of the electromagnet drive allows.
  • the controller 22, the Aktuatorendkeep 28 and the holding magnet output stage 23 are connected to a in FIG. 2 only shown schematically power supply 31, which provides a necessary for control operating energy 30.

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Description

  • 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.
  • 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 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.
  • Aus der Patentschrift US 3,525,963 ist ein elektromagnetischer Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für einen Schalter bekannt. Dieser Antrieb besitzt eine Antriebseinheit, die einen Magnetkörper, einen zumindest teilweise in diesem beweglich angeordneten Anker, eine ein Antriebsmagnetfeld erzeugende Spule und wenigstens einen sich zumindest teilweise in dem Antriebsmagnetfeld erstreckenden Leiter aufweist. Weiterhin ist eine Verriegelungseinheit zur Verriegelung des Ankers in wenigstens einer Endstellung vorgesehen, wobei die Verriegelungseinheit wenigstens ein fest mit dem Anker verbundenes weichmagnetisches Bewegteil aufweist, das in jeder Endstellung des Ankers einen Luftspalt für ein Verriegelungsmagnetfeld überbrückt.
  • 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 Lorentzkraft, 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 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.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb umfasst eine Antriebseinheit und eine Verriegelungseinheit, deren Leiter bzw. Spulen unabhängig voneinander bestromt 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 wartungsanfällige 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.
  • Darüber hinaus ist es auch möglich, den Anker - und damit auch das Bewegteil - fest mit dem Bewegkontakt einer Vakuumschaltröhre 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 Kontakte 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.
  • Durch das unabhängige Bestromen des Leiters der Antriebseinheit einerseits sowie der Abreißspulen der Verriegelungseinheit 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.
  • Erfindungswesentlich ist ferner, dass das Bewegteil aus einem Material besteht, das einen gegenüber dem Luftspalt geringeren magnetischen Widerstand aufweist. Hierbei kommen beliebige ferromagnetische Stoffe wie Eisen, Mumetall, Nickel-EisenLegierungen 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 Koerzitivfeldstärke 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.
  • 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.
  • 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 Weiterentwicklung ist der elektromagnetische Antrieb ein Hubantrieb. Der Spulenträger ist beispielsweise als Rohrstutzen oder mit anderen Worten rohrförmig ausgebildet.
  • 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 Bewegung 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 Spulenbewegung wird das diesem Antrieb zugrunde liegende Prinzip auch Tauchspulenprinzip genannt.
  • Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb eine Steuereinheit zur Erzeugung vorgegebener zeitabhängiger Steuersignale, eine stromverstärkende Aktuatorendstufe zur Speisung des Leiters in Abhängigkeit der Steuersignale und wenigstens eine stromverstärkende 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 Erfordernissen 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 elektromagnetischen Antriebes ermöglicht.
  • 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.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei sich entsprechende Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind und
    • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes in einer quer geschnittenen Ansicht und
    Figur 2
    eine Steuerung des elektromagnetischen Antriebes gemäß Figur 1 zeigen.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebes 1 in einer geschnittenen Darstellung. Der elektromagnetische Antrieb 1 weist eine Antriebseinheit 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 Antriebseinheit 2 gegenüber Magnetfeldern in der Verriegelungseinheit 3 und umgekehrt vorgesehen.
  • Die Antriebseinheit 2 umfasst einen Magnetkörper, der aus einem 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 einem Isoliermaterial auf, dessen rohrförmiger Abschnitt Wicklungen eines Leiters trägt. Durch diese Wicklungen des Leiters sind Antriebsspulen 10 ausgebildet.
  • 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.
  • 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 Verriegelun-gskörper 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 Verriegelungsmagnete 16 erkennbar, die ein in Bewegungsrichtung des Ankers 8 verlaufendes axiales Verriegeluncsmagnetfeld 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.
  • 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 Widerstandes für das von einem der Verriegelungsmagnete 16 erzeugte axiale Verriegelungsmagnetfeld. Dieser Effekt beruht darauf, dass der Verriegelungskörper 14 aus einem ferromagnetischen 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.
  • 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.
  • 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 Übereinstimmung 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 elektremagnetischen Antriebes ermöglicht.
  • Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, auf eine zusätzliche Regelung zu verzichten und die Aktuatorendstufe 28 ebenfalls direkt über die Steuerung 22 anzusteuern.
  • Die Steuerung 22, die Aktuatorendstufe 28 und die Haltemagnetendstufe 23 sind mit einer in Figur 2 nur schematisch dargestellten Stromversorgung 31 verbunden, die eine zur Steuerung notwendige Betriebsenergie 30 bereitstellt.

Claims (9)

  1. Elektromagnetischer Antrieb (1) für einen Schalter, insbesondere im Bereich der Mittelspannungstechnik, mit einer 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, und wobei
    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, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungsmagnetfeld unabhängig vom Antriebsmagnetfeld durch wenigstens einen Verriegelungsmagneten (16) erzeugt ist, dem eine unabhängig von dem Leiter bestrombare Abreißspule (17) zum Herausführen des Ankers (8) aus einer Endstellung zugeordnet ist.
  2. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, 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.
  3. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Verriegelungskörper (14) zweiteilig ausgebildet und beidseitig des Bewegteils (15) angeordnet ist.
  4. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass jeder Verriegelungsmagnet (16) und jede Abreißspule (17) an dem Verriegelungskörper (14) angeordnet sind.
  5. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen der Verriegelungseinheit (3) und der Antriebseinheit (2) Mittel zum Isolieren eines magnetischen Flusses vorgesehen sind.
  6. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anker (8) einen Spulenträger (9) aus einem isolierenden Material aufweist, wobei der Leiter als auf dem Spulenträger (9) angeordnete Wicklung (10) ausgebildet ist.
  7. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekenntzeichnet, 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.
  8. Elektromagnetischer Antrieb (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine Steuereinheit (22) zur Erzeugung vorgegebener zeitabhängiger Steuersignale, eine stromverstärkende Aktuatorendstufe (28) zur Speisung des Leiters (10) in Abhängigkeit der Steuersignale und wenigstens eine stromverstärkende Spulenendstufe (23) zur Speisung einer zugeordneten Abreißspule (17) in Abhängigkeit der Steuersignale.
  9. Verfahren zum Steuern eines elektromagnetischen Antriebes (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.
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