EP3326190B9 - Magnet armature, contactor having a magnetic armature, and method for switching a contactor - Google Patents
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Definitions
- the rest position, the middle position and the end position represent the positions of the magnet armature relative to its surroundings, e.g. within an electromagnetic switch.
- the middle position does not necessarily have to be the same distance from the rest position as from the end position.
- the rest position indicates the position in which the magnet armature is when no magnetic force acts on it.
- the end position indicates the equilibrium position when the magnetic force intended for closing a switch acts on the magnet armature and the electrical contact to be closed is permanently closed.
- the first stiffness k1 of the first spring element and the second stiffness k2 of the second spring element can be different.
- the fact that the magnet armature moves against the restoring force of the first spring element when moving from the rest position to the middle position and against the spring force of the second element when moving from the middle position to the end position can reduce the switching time.
- the spring stiffness k1 of the first spring element is less than the spring stiffness k2 of the second spring element, the magnet armature works against a smaller resistance force when tightening, so that greater acceleration and thus a shortening of the switching time is achieved.
- the restoring force of the second spring element essentially causes rapid opening when the magnetic force on the magnet armature is removed (i.e. when the switch is opened).
- the magnet armature additionally comprises a cylindrical section.
- the first spring element, the bushing and the second spring element coaxially surround the cylindrical section - or each a separate cylindrical section with a different radius if necessary.
- the end of the first spring element pointing towards the bushing is intended to move relative to the cylindrical section during the transition from the rest position to the middle position, but not during the transition from the middle position to the end position.
- the bushing and the end of the second spring element pointing towards the bushing are intended to move relative to the cylindrical section during the transition from the middle position to the end position, but not during the transition from the rest position to the middle position.
- the distance h from the rest position to the end position is the full stroke that the magnetic armature travels when activated in order to connect two electrodes of a contactor with a contact stamp.
- the stroke h can be, for example, 2 mm.
- the middle position can be in an interval between 40% and 60% of the full stroke h.
- the cylindrical section should have the mechanical magnet armature stop, which can be achieved as described above by two different diameters on the cylindrical section and the corresponding step. This allows the second, e.g. stiffer, spring element to be dimensioned independently of the first, e.g. softer, spring element and to be connected via the bushing and the mechanical Magnetic armature stop with defined preload must be installed.
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Description
Die Erfindung betrifft Magnetanker, z. B. Magnetanker für elektromagnetische Schütze, Schütze mit Magnetanker und Verfahren zum Schalten eines Schützes.The invention relates to magnetic armatures, e.g. magnetic armatures for electromagnetic contactors, contactors with magnetic armatures and methods for switching a contactor.
In elektromagnetisch betreibbaren Schützen stellt i. A. ein Magnetanker einen beweglichen Teil dar, der durch Verschieben eines Kontaktstempels zwei Elektroden elektrisch leitend verbinden kann. Schütze werden verwendet, um starke elektrische Ströme und/oder hohe elektrische Spannungen gegebenenfalls in einer Schutzgasatmosphäre zu schalten. Die unmittelbaren Vorgänge des Schließens oder des Öffnens des Schalters und dabei auftretende Lichtbögen stellen bei hoher zu schaltender elektrischer Leistung eine große Belastung, insbesondere für das Material der Elektroden und des Kontaktstempels, dar. Mit zunehmender Zahl der Schaltvorgänge steigt die Gefahr des Verklebens dieser elektrischen Kontakte.In electromagnetically operated contactors, a magnetic armature is generally a moving part that can electrically connect two electrodes by moving a contact stamp. Contactors are used to switch strong electrical currents and/or high electrical voltages, possibly in a protective gas atmosphere. The immediate processes of closing or opening the switch and the arcs that occur in the process represent a great stress when high electrical power is to be switched, particularly for the material of the electrodes and the contact stamp. The risk of these electrical contacts sticking increases with the number of switching operations.
Es sind Schütze mit einer so genannten Booster-Schaltung zur Verringerung der Schließzeit bekannt. Dabei wird der Elektromagnet beim Einschalten kurzzeitig, d. h. einige Millisekunden, mit einer Überspannung beaufschlagt, um die Anzugskraft zu erhöhen. Das Dokument
Es existiert deshalb der Wunsch nach Schaltvorgängen mit verringerter Belastung für das Elektrodenmaterial, insbesondere nach Schaltvorgängen mit verringerter Gefahr des Verklebens der Kontakte.There is therefore a desire for switching operations with reduced stress on the electrode material, in particular for switching operations with a reduced risk of the contacts sticking together.
Der hier beschriebene Magnetanker, insbesondere der Magnetanker gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, ermöglicht solche Schaltvorgänge. Übrige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Ankers an.The magnetic armature described here, in particular the magnetic armature according to independent claim 1, enables such switching processes. Other claims specify advantageous embodiments of the armature.
Der Magnetanker umfasst ein erstes Federelement mit einer ersten Federsteifigkeit k1, ein zweites Federelement mit einer zweiten Steifigkeit k2, eine Ruheposition, eine Endposition und eine mittlere Position, die sich zwischen der Ruheposition und der Endposition befindet. Das erste Federelement ist dazu vorgesehen, während eines Schaltvorgangs beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position, aber nicht beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition elastisch verformt zu werden. Das zweite Element ist dazu vorgesehen, beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition, aber nicht beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position elastisch verformt zu werden.The magnet armature comprises a first spring element with a first spring stiffness k1, a second spring element with a second stiffness k2, a rest position, an end position and a middle position which is located between the rest position and the end position. The first spring element is intended to be elastically deformed during a switching process during the transition from the rest position to the middle position, but not during the transition from the middle position to the end position. The second element is intended to be elastically deformed during the transition from the middle position to the end position, but not during the transition from the rest position to the middle position.
Die Ruheposition, die mittlere Position und die Endposition stellen dabei Positionen des Magnetankers relativ zu seiner Umgebung, z. B. innerhalb eines elektromagnetischen Schalters, dar. Die mittlere Position muss nicht zwingend gleichweit von der Ruheposition wie von der Endposition beabstandet sein. Die Ruheposition gibt dabei diejenige Position an, in der sich der Magnetanker befindet, wenn keine magnetische Kraft auf ihn einwirkt. Die Endposition gibt dabei die Gleichgewichtsposition an, wenn die für das Schließen eines Schalters vorgesehene magnetische Kraft auf den Magnetanker einwirkt und der zu schließende elektrische Kontakt dauerhaft geschlossen ist.The rest position, the middle position and the end position represent the positions of the magnet armature relative to its surroundings, e.g. within an electromagnetic switch. The middle position does not necessarily have to be the same distance from the rest position as from the end position. The rest position indicates the position in which the magnet armature is when no magnetic force acts on it. The end position indicates the equilibrium position when the magnetic force intended for closing a switch acts on the magnet armature and the electrical contact to be closed is permanently closed.
Die erste Steifigkeit k1 des ersten Federelements und die zweite Steifigkeit k2 des zweiten Federelements können verschieden sein. Dadurch, dass der Magnetanker sich beim Bewegen von der Ruheposition zur mittleren Position gegen die Rückstellkraft des ersten Federelements und beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition gegen die Federkraft des zweiten Elements bewegt, kann eine Verringerung der Schaltzeit erreicht werden. Insbesondere wenn die Federsteifigkeit k1 des ersten Federelements geringer als die Federsteifigkeit k2 des zweiten Federelements ist, arbeitet der Magnetanker beim Anziehen gegen eine kleinere Widerstandskraft an, sodass eine größere Beschleunigung und damit eine Verkürzung der Schaltzeit erreicht wird.The first stiffness k1 of the first spring element and the second stiffness k2 of the second spring element can be different. The fact that the magnet armature moves against the restoring force of the first spring element when moving from the rest position to the middle position and against the spring force of the second element when moving from the middle position to the end position can reduce the switching time. In particular, if the spring stiffness k1 of the first spring element is less than the spring stiffness k2 of the second spring element, the magnet armature works against a smaller resistance force when tightening, so that greater acceleration and thus a shortening of the switching time is achieved.
Befindet sich der Magnetanker in seiner Endposition, bewirkt im Wesentlichen die Rückstellkraft des zweiten Federelements ein schnelles Öffnen, wenn die magnetische Kraft auf den Magnetanker (d. h. beim Öffnen des Schalters) entfällt.When the magnet armature is in its end position, the restoring force of the second spring element essentially causes rapid opening when the magnetic force on the magnet armature is removed (i.e. when the switch is opened).
Es wird also ein Magnetanker angegeben, der eine nicht einfach lineare Widerstandskraft beim Schließen und beim Öffnen erfährt. Vielmehr wird ein Magnetanker angegeben, dessen auf ihn wirkende Widerstandskraft nacheinander durch unterschiedliche Federsteifigkeiten ansteigen kann.This means that a magnetic armature is specified which does not experience a simply linear resistance force when closing and opening. Rather, a magnetic armature is specified whose resistance force acting on it can increase successively due to different spring stiffnesses.
Es ist möglich, dass das erste Federelement und das zweite Federelement in Reihe angeordnet sind. Bei in Reihe angeordneten Federelementen ergibt sich eine resultierende Federsteifigkeit der Kombination der zwei Federn, deren Kehrwert der Summe der Kehrwerte der einzelnen Federsteifigkeiten entspricht. Zwei in Reihe angeordnete Federelemente verhalten sich deshalb wie ein einzelnes Federelement mit der entsprechenden Ersatz-Steifigkeit. Damit der Magnetanker beim Aktivieren während der einen Phase der Bewegung von der Ruheposition zur mittleren Position zum einen und während der zweiten Phase während der Bewegung von der mittleren Position zur Endposition unterschiedliche Federsteifigkeiten wahrnimmt, sind zusätzliche technische Vorkehrungen, z. B. mechanische Anschläge und/oder ein Beaufschlagen einzelner Federelemente mit einer Feder-Vorspannung und/oder das Vorsehen einer verschiebbaren Buchse, wie unten beschrieben, notwendig.It is possible that the first spring element and the second spring element are arranged in series. With spring elements arranged in series, the resulting spring stiffness of the combination of the two springs is the reciprocal of the sum of the reciprocals of the individual spring stiffnesses. Two spring elements arranged in series therefore behave like a single spring element with the corresponding Replacement stiffness. In order for the magnet armature to perceive different spring stiffnesses when activated during one phase of the movement from the rest position to the middle position and during the second phase during the movement from the middle position to the end position, additional technical precautions are necessary, e.g. mechanical stops and/or applying a spring preload to individual spring elements and/or providing a movable bushing, as described below.
Deshalb umfasst der Magnetanker zusätzlich eine Buchse, die zwischen dem ersten Federelement und dem zweiten Federelement angeordnet ist. Die Buchse kann dabei das eine zur Buchse gerichtete Ende des ersten Federelements und das eine zur Buchse gerichtete Ende des zweiten Federelements berühren.Therefore, the magnet armature additionally comprises a bushing which is arranged between the first spring element and the second spring element. The bushing can touch the one end of the first spring element directed towards the bushing and the one end of the second spring element directed towards the bushing.
Der Magnetanker umfasst zusätzlich einen zylinderförmigen Abschnitt. Das erste Federelement, die Buchse und das zweite Federelement umgeben den zylinderförmigen Abschnitt - oder jeweils einen eigenen zylinderförmigen Abschnitt mit gegebenenfalls unterschiedlichem Radius - koaxial. Das zur Buchse weisende Ende des ersten Federelements ist dazu vorgesehen, beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position, aber nicht beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition sich relativ zum zylinderförmigen Abschnitt zu bewegen. Die Buchse und das zur Buchse weisende Ende des zweiten Federelements sind dazu vorgesehen, beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition, aber nicht beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position, sich relativ zum zylinderförmigen Abschnitt zu bewegen.The magnet armature additionally comprises a cylindrical section. The first spring element, the bushing and the second spring element coaxially surround the cylindrical section - or each a separate cylindrical section with a different radius if necessary. The end of the first spring element pointing towards the bushing is intended to move relative to the cylindrical section during the transition from the rest position to the middle position, but not during the transition from the middle position to the end position. The bushing and the end of the second spring element pointing towards the bushing are intended to move relative to the cylindrical section during the transition from the middle position to the end position, but not during the transition from the rest position to the middle position.
Es ist möglich, dass ein Übergang von der Ruheposition in die Endposition eine Verschiebung um eine Strecke h = h1 + h2 entspricht, wobei h zwischen 1,5 mm und 2,5 mm lang sein kann.It is possible that a transition from the rest position to the end position corresponds to a displacement by a distance h = h1 + h2, where h can be between 1.5 mm and 2.5 mm long.
Die Strecke h von der Ruheposition in die Endposition ist dabei der volle Hub, den der Magnetanker beim Aktivieren zurücklegt, um mit einem Kontaktstempel zwei Elektroden eines Schützes zu verschalten.The distance h from the rest position to the end position is the full stroke that the magnetic armature travels when activated in order to connect two electrodes of a contactor with a contact stamp.
Der Hub h kann z. B. 2 mm betragen.The stroke h can be, for example, 2 mm.
Es ist möglich, dass ein Übergang des Magnetankers von seiner Ruheposition in seine mittlere Position einer Verschiebung um eine Strecke h1 entspricht, die in einem Intervall zwischen dem 0,4-Fachen und dem 0,6-Fachen des gesamten Hubs h = h1 + h2 liegt.It is possible that a transition of the armature from its rest position to its middle position corresponds to a displacement by a distance h1 which lies in an interval between 0.4 and 0.6 times the total stroke h = h1 + h2.
Mit anderen Worten: Die mittlere Position kann in einem Intervall zwischen 40 % und 60 % des vollen Hubs h liegen.In other words, the middle position can be in an interval between 40% and 60% of the full stroke h.
Die Teil-Hübe um eine Strecke h1 von der Ruheposition in die mittlere Position und h2 von der mittleren Position zur Endposition können gleich sein: h1 = h2 = h/2.The partial strokes by a distance h1 from the rest position to the middle position and h2 from the middle position to the end position can be equal: h1 = h2 = h/2.
Es ist möglich, dass die Federsteifigkeit eines der beiden Federelemente zirka das 3,3-3,6 Fache der jeweils anderen Federsteifigkeit beträgt. Dabei kann das zweite Federelement die höhere Federsteifigkeit aufweisen: 3,3 ≤ k2/k1 ≤ 3,6.It is possible that the spring stiffness of one of the two spring elements is approximately 3.3-3.6 times the spring stiffness of the other. The second spring element can have the higher spring stiffness: 3.3 ≤ k2/k1 ≤ 3.6.
Konkret ist es möglich, dass die Federsteifigkeit des ersten Federelements zwischen 0,5 N/mm und 0,9 N/mm liegt. Die Steifigkeit des zweiten Federelements kann zwischen 2,3 N/mm und 2,7 N/mm liegen.Specifically, it is possible that the spring stiffness of the first spring element is between 0.5 N/mm and 0.9 N/mm. The stiffness of the second spring element can be between 2.3 N/mm and 2.7 N/mm.
Es ist möglich, dass der Magnetanker neben zumindest einem zylinderförmigen Abschnitt ferner einen Kontaktstempel und/oder ein magnetisierbares Material umfasst. Der Kontaktstempel ist an einem Ende des Bereichs des Ankers mit dem einen oder den mehreren zylinderförmigen Abschnitten angeordnet. Das optionale magnetisierbare Material kann am entgegengesetzten Ende angeordnet sein. Der Kontaktstempel umfasse ein elektrisch leitendes Material und ist dazu vorgesehen, in der Endposition des Magnetankers zwei elektrische Kontakte zu verschalten. Das magnetisierbare Material kann Eisen, Kobalt und/oder Nickel umfassen oder aus Eisen, Kobalt oder Nickel bestehen. Über das magnetisierbare Material kann der Magnetanker magnetisch mit seiner Umgebung (z. B. einer benachbarten Magnetspule in einem Joch) wechselwirken, insbesondere um ein Verschieben zwischen den drei Positionen, d. h. einIt is possible for the magnet armature to further comprise a contact stamp and/or a magnetizable material in addition to at least one cylindrical section. The contact stamp is arranged at one end of the region of the armature with the one or more cylindrical sections. The optional magnetizable material can be arranged at the opposite end. The contact stamp comprises an electrically conductive material and is intended to connect two electrical contacts in the end position of the magnet armature. The magnetizable material can comprise iron, cobalt and/or nickel or consist of iron, cobalt or nickel. The magnetizable material can allow the magnet armature to interact magnetically with its surroundings (e.g. an adjacent magnet coil in a yoke), in particular to prevent displacement between the three positions, i.e. a
Schalten mittels des Kontaktstempels, zu ermöglichen.To enable switching by means of the contact stamp.
Weiterhin weist der zylinderförmige Abschnitt einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt auf. Der erste Teilabschnitt hat einen ersten Durchmesser und der zweite Teilabschnitt hat einen zweiten Durchmesser. Zwischen den beiden Teilabschnitten weist der zylinderförmige Abschnitt und damit der Durchmesser eine Stufe auf. Die Stufe zwischen den beiden Teilabschnitten stellt einen Anschlag für die Buchse dar, der im Folgenden als Magnetanker-Anschlag bezeichnet wird.Furthermore, the cylindrical section has a first section and a second section. The first section has a first diameter and the second section has a second diameter. Between the two sections, the cylindrical section and thus the diameter has a step. The step between the two sections represents a stop for the bushing, which is referred to below as the magnet armature stop.
Weiterhin berührt die Buchse den Magnetanker-Anschlag beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position (MP), aber nicht beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition.Furthermore, the bushing touches the magnet armature stop during the transition from the rest position to the middle position (MP), but not during the transition from the middle position to the end position.
Dadurch ist es möglich, dass die Buchse die beiden Federn zumindest in einer Position, z. B. der Ruheposition, oder beim Übergang von der mittleren Position zu Ruheposition entkoppelt, was das Schaltverhalten eines entsprechend ausgestatteten Schützes verbessert.This makes it possible for the bushing to decouple the two springs at least in one position, e.g. the rest position, or during the transition from the middle position to the rest position, which improves the switching behavior of a suitably equipped contactor.
Ein Schütz kann einen wie oben beschriebenen Magnetanker mit einer Buchse zwischen den beiden Federelementen, ein Joch mit integrierter Spule und eine Führung mit einem ersten mechanischen Anschlag umfassen. Der Magnetanker und das Joch bilden einen elektromagnetischen Aktuator, der dazu vorgesehen ist, den Magnetanker relativ zum Joch und zur Führung zu bewegen. In Positionen zwischen der Ruheposition und der mittleren Position berührt die Buchse den ersten mechanischen Anschlag nicht. In Positionen zwischen der mittleren Position und der Endposition berührt die Buchse den ersten mechanischen Anschlag.A contactor may comprise a magnetic armature as described above with a bushing between the two spring elements, a yoke with an integrated coil and a guide with a first mechanical stop. The magnetic armature and the yoke form an electromagnetic actuator which is intended to move the magnetic armature relative to the yoke and the guide. In positions between the rest position and the middle position, the bushing does not contact the first mechanical stop. In positions between the middle position and the end position, the bushing contacts the first mechanical stop.
Die mittlere Position ist somit definiert als diejenige Position, ab der die Buchse während des Schließens den Anschlag berührt. Von der Ruheposition bis zur mittleren Position wirkt im Wesentlichen das erste Federelement einer schließenden Kraft entgegen: Bewegt sich der Magnetanker von seiner Ruheposition zur mittleren Position, so wird im Wesentlichen das erste Federelement gestaucht. Das zweite Federelement kann dabei mit einer Vorspannung beaufschlagt sein, die größer ist als die Spannung auf das erste Federelement in der mittleren Position. Dadurch wird das zweite Federelement beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position nicht gestaucht.The middle position is therefore defined as the position from which the bushing touches the stop during closing. From the rest position to the middle position, the first spring element essentially counteracts a closing force: If the magnet armature moves from its rest position to the middle position, the first spring element is essentially compressed. The second spring element can be subjected to a preload that is greater than the tension on the first spring element in the middle position. This means that the second spring element is Transition from the rest position to the middle position is not compressed.
Trifft die Buchse auf den mechanischen Anschlag, so kann die Spannung auf das erste Federelement nicht weiter steigen, da die Kraft über die Buchse und den mechanischen Anschlag an die Führung abgegeben wird. Infolgedessen wird die weitere Bewegung von der mittleren Position zur Endposition durch ein Stauchen des zweiten Federelements ermöglicht.If the bushing hits the mechanical stop, the tension on the first spring element cannot increase any further because the force is transferred to the guide via the bushing and the mechanical stop. As a result, further movement from the middle position to the end position is made possible by compressing the second spring element.
Es ist möglich, dass das Schütz im Joch eine oder mehrere Spulen umfasst, die ein magnetisches Feld erzeugen können und zusammen mit dem magnetisierbaren Material des Ankers einen Elektromagneten bilden.It is possible that the contactor in the yoke includes one or more coils that can generate a magnetic field and, together with the magnetizable material of the armature, form an electromagnet.
Das Schütz kann ferner einen Hohlraum umfassen, in dem der Kontaktstempel am Magnetanker und zwei voneinander beabstandete Elektroden angeordnet sind. Der Hohlraum kann mit einem Gas, z. B. einem Edelgas, gefüllt sein. Der Abstand zwischen den Elektroden und dem Kontaktstempel ist vorzugsweise kleiner als der gesamte Hub h des Magnetankers.The contactor can further comprise a cavity in which the contact stamp on the magnet armature and two electrodes spaced apart from one another are arranged. The cavity can be filled with a gas, e.g. a noble gas. The distance between the electrodes and the contact stamp is preferably smaller than the total stroke h of the magnet armature.
Der Magnetanker kann zusätzlich ein weiteres Federelement aufweisen, das Fertigungstoleranzen des Abstands zwischen den Elektroden und dem Kontaktstempel ausgleichen kann und die eigentliche Kontaktkraft erzeugt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn das Material der Elektroden oder des Kontaktstempels durch wiederholte Schaltvorgänge bei hoher elektrischer Leistung abgetragen wird.The magnet armature can also have another spring element that can compensate for manufacturing tolerances in the distance between the electrodes and the contact stamp and generates the actual contact force. This is particularly important when the material of the electrodes or the contact stamp is worn away by repeated switching operations at high electrical power.
Der Elektromagnet eines solchen Schützes kann mit einer Betriebsspannung von 12 V, 24 V, 48 V oder jeder anderen zur Verfügung stehenden Spannung betrieben werden.The electromagnet of such a contactor can be operated with an operating voltage of 12 V, 24 V, 48 V or any other available voltage.
Das Schütz kann einen Hohlraum, z. B. einen mit einem Inertgas gefüllten Hohlraum, in dem sich die zu schaltenden Kontakte befinden, aufweisen. Schütze mit einem Gas gefüllten Hohlraum wird üblicherweise auch als GFC (Gas Filled Contactor, Gas gefülltes Schütz) bezeichnet. Da solche Schütze insbesondere zum Schalten hoher Spannungen geeignet sind, sind sie auch als HVC (HVC = High Voltage Contactor) bekannt.The contactor can have a cavity, e.g. a cavity filled with an inert gas in which the contacts to be switched are located. Contactors with a gas-filled cavity are usually also referred to as GFC (Gas Filled Contactor). Since such contactors are particularly suitable for switching high voltages, they are also known as HVC (HVC = High Voltage Contactor).
Die durch die nichtlineare Gegenkraft erhöhte Lebensdauer kann durch die Gasfüllung im Hohlraum weiter erhöht sein.The increased service life due to the nonlinear counterforce can be further increased by the gas filling in the cavity.
Es ist möglich, dass das Schütz eine Führung mit einem dritten Anschlag aufweist. Der dritte Anschlag kann eine Begrenzung für die Bewegung des Magnetankers darstellen. Der Magnetanker kann in seiner Ruheposition den dritten Anschlag berühren.It is possible that the contactor has a guide with a third stop. The third stop can represent a limitation for the movement of the magnet armature. The magnet armature can touch the third stop in its rest position.
Der dritte Anschlag kann dabei insbesondere die Kraft der ersten Feder in der Ruheposition aufnehmen. Damit bestimmt die Position des dritten Anschlags die Position des Magnetankers relativ zur Führung in der Ruheposition, eine definierte Ruheposition.The third stop can in particular absorb the force of the first spring in the rest position. The position of the third stop therefore determines the position of the magnet armature relative to the guide in the rest position, a defined rest position.
Um einen definierten Wert für h1 unabhängig vom Verhältnis der Federraten zu realisieren, und um die Federkräfte zu entkoppeln, sollte der zylindrische Abschnitt den mechanischen Magnetanker-Anschlag aufweisen, der wie oben beschrieben durch zwei unterschiedliche Durchmesser am zylindrischen Abschnitt und die entsprechende Stufe realisiert sein kann. Dadurch kann das zweite, z. B. steifere, Federelement unabhängig vom ersten, z. B. weicheren, Federelement dimensioniert und über die Buchse und den mechanischen Magnetanker-Anschlag mit definierter Vorspannung eingebaut werden.In order to achieve a defined value for h1 independent of the ratio of the spring rates and to decouple the spring forces, the cylindrical section should have the mechanical magnet armature stop, which can be achieved as described above by two different diameters on the cylindrical section and the corresponding step. This allows the second, e.g. stiffer, spring element to be dimensioned independently of the first, e.g. softer, spring element and to be connected via the bushing and the mechanical Magnetic armature stop with defined preload must be installed.
Das Verhältnis der Federraten ist nicht limitiert. Die Zahlenwerte hängen unter anderem von der Baugröße ab und sind nur als Beispiele zu verstehen.The ratio of the spring rates is not limited. The numerical values depend on the size, among other things, and are only intended as examples.
Eine Reihenschaltung der beiden Federelemente ist möglich aber nicht zwingend. Die mechanischen Anschläge, insbesondere der erste Anschlag und der Magnetanker-Anschlag, können die Federn entkoppeln.A series connection of the two spring elements is possible but not mandatory. The mechanical stops, in particular the first stop and the magnet armature stop, can decouple the springs.
Ein Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Schützes, das einen Elektromagneten, einen Kontaktstempel und ein erstes Federelement aufweist, umfasst die Schritte:
- Aktivieren des Elektromagneten in einer Ruheposition,
- Beschleunigen des Kontaktstempels gegen die Rückstellkraft des ersten Federelements bis zu einer mittleren Position,
- Bewegen des Kontaktstempels gegen die Rückstellkraft des zweiten Federelements bis zu einer Endposition.
- Activating the electromagnet in a rest position,
- Accelerating the contact stamp against the restoring force of the first spring element to a middle position,
- Moving the contact stamp against the restoring force of the second spring element to an end position.
Ein Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Schützes, das einen Elektromagneten, einen Kontaktstempel ein erstes Federelement und ein zweites Federelement aufweist, ist gemäß Anspruch 11 definiert.A method for switching an electromagnetic contactor comprising an electromagnet, a contact plunger, a first spring element and a second spring element is defined according to claim 11.
Im Folgenden werden das Funktionsprinzip und beispielhafte Ausführungsformen anhand von schematischen Figuren gezeigt und näher erläutert, wobei die
Es zeigen:
- Fig. 1:
- die Ruheposition,
- Fig. 2:
- die mittlere Position,
- Fig. 3:
- die Endposition,
- Fig. 4:
- einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Magnetankers mit Federelement für einen Toleranzausgleich und mit Kontaktstempel,
- Fig. 5:
- einen Querschnitt durch ein Schütz mit einem Magnetanker und mit einem Kontaktstempel, einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode in einem Gas gefüllten Hohlraum, entsprechend den Beispielen der
Figuren 5 und/oder 6. - Fig. 6:
- einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Magnetankers MA mit einem dritten A3 und einem Magnetanker-Anschlag A4,
- Fig. 7:
- einen Querschnitt durch die Ausführungsform der
Fig. 6 in der mittleren Position, - Fig. 8:
- einen Querschnitt durch die Ausführungsform der
Fig. 6 in der Endposition,
- Fig.1:
- the resting position,
- Fig. 2:
- the middle position,
- Fig. 3:
- the final position,
- Fig.4:
- a cross-section through an embodiment of a magnet armature with spring element for tolerance compensation and with contact stamp,
- Fig.5:
- a cross-section through a contactor with a magnet armature and with a contact stamp, a first electrode and a second electrode in a gas-filled cavity, according to the examples of
Figures 5 and/or 6. - Fig.6:
- a cross section through an embodiment of a magnet armature MA with a third A3 and a magnet armature stop A4,
- Fig.7:
- a cross-section through the design of the
Fig.6 in the middle position, - Fig.8:
- a cross-section through the design of the
Fig.6 in the final position,
Entsprechend zeigt
Der Magnetanker befindet sich nun in einer Position, in der ein zum Magnetanker gehöriger elektrischer Schalter durch Berühren des Kontaktstempels von zwei Elektroden geschlossen ist.The magnet armature is now in a position in which an electrical switch belonging to the magnet armature is closed by touching the contact stamp of two electrodes.
Beim Schließen kann eine kurze Schließzeit erreicht werden, da der Elektromagnet insbesondere in der kritischen Anfangsphase lediglich gegen die schwache Rückstellkraft des ersten Federelements F1 arbeiten muss und dadurch schnell beschleunigen kann. Ein schnelles Öffnen des elektrischen Schalters wird dadurch erreicht, dass beim Deaktivieren des Elektromagneten unmittelbar die zweite, stärkere Rückstellkraft des zweiten Federelements F2 wirkt.When closing, a short closing time can be achieved because the electromagnet only has to work against the weak restoring force of the first spring element F1, particularly in the critical initial phase, and can therefore accelerate quickly. The electrical switch can be opened quickly because the second, stronger restoring force of the second spring element F2 takes effect immediately when the electromagnet is deactivated.
Insgesamt wird also ein Magnetanker angegeben, der sowohl ein schnelles Schließen als auch ein schnelles Öffnen ermöglicht und der insbesondere die Brenndauer eines entstehenden Lichtbogens und die Gefahr eines Verklebens der Kontakte verringert.Overall, a magnetic armature is specified which enables both rapid closing and rapid opening and which, in particular, reduces the burning time of a resulting arc and the risk of the contacts sticking.
Aus den
Trotz seines komplex aufgebauten Magnetankers wird ein Schütz mit verbesserter elektrischer Leistungsfähigkeit angegeben, das übliche geometrische Abmessungen einhalten kann und sich somit leicht in bestehende externe Schaltungsumgebungen integrieren lässt.Despite its complex magnetic armature design, a contactor with improved electrical performance is specified that can maintain common geometric dimensions and can therefore be easily integrated into existing external circuit environments.
Weder der Magnetanker noch das Schütz noch das Verfahren zum Schalten des Schützes sind auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Magnetanker mit zusätzlichen Anschlägen, Vorrichtungen zum Vorspannen insbesondere des zweiten Federelements und weiteren Maßnahmen zur Verringerung der Belastung der Elektroden eines Schützes stellen erfindungsgemäße Gegenstände dar.Neither the magnet armature nor the contactor nor the method for switching the contactor are limited to the embodiments shown. Magnet armature with additional stops, devices for pre-tensioning in particular the second spring element and other measures for reducing the load the electrodes of a contactor represent objects according to the invention.
- A1:A1:
- erster mechanischer Anschlagfirst mechanical stop
- A2:A2:
- zweiter mechanischer Anschlagsecond mechanical stop
- A3:A3:
- dritter mechanischer Anschlagthird mechanical stop
- A4:A4:
- mechanischer Magnetanker-Anschlagmechanical magnetic armature stop
- B:B:
- BuchseRifle
- EL1:EL1:
- erste Elektrodefirst electrode
- EL2:EL2:
- zweite Elektrodesecond electrode
- EP:EP:
- EndpositionEnd position
- F1:Q1:
- erstes Federelementfirst spring element
- F2:Q2:
- zweites Federelementsecond spring element
- FTA:FTAs:
- Federelement für ToleranzausgleichSpring element for tolerance compensation
- FÜ:FÜ:
- Führungguide
- h:H:
- Strecke der Länge des Übergangs von der Ruheposition zur EndpositionDistance of the length of the transition from the rest position to the end position
- h1:h1:
- Strecke des Übergangs von der Ruheposition zur mittleren PositionDistance of transition from rest position to middle position
- h2:h2:
- Länge der Strecke des Übergangs von der mittleren Position zur EndpositionLength of the transition from the middle position to the end position
- HR:MR:
- Hohlraumcavity
- IM:IN THE:
- isolierendes Materialinsulating material
- J:J:
- Jochyoke
- KS:KS:
- KontaktstempelContact stamp
- M:M:
- magnetisierbares Materialmagnetizable material
- MA:MA:
- MagnetankerMagnet armature
- MP:MP:
- mittlere Positionmiddle position
- RP:RP:
- RuhepositionResting position
- SCH:SCH:
- SchützSchütz
- ZA:ZA:
- zylinderförmiger Abschnittcylindrical section
- ZA1:ZA1:
- erster Teilabschnittfirst section
- ZA2:ZA2:
- zweiter Teilabschnittsecond section
Claims (11)
- Magnet armature (MA), comprising- a first spring element (F1) with a first stiffness k1,- a second spring element (F2) with a second stiffness k2,- a bush (B) between the first spring element (F1) and the second spring element (F2),- a cylindrical section (ZA), wherein the cylindrical section (ZA) has a first subsection (ZA1) with a first diameter, a second subsection (ZA2) with a second diameter and a step between the two subsections (ZA1, ZA2),- the step between the two subsections (ZA1, ZA2) constitutes a magnet armature stop (A4), and- the magnet armature can move between an idle position (RP), an end position (EP) and a central position (MP) between the idle position (RP) and the end position (EP), wherein the idle position is that position in which the magnet armature is located when there is no magnetic force acting on it, characterized in that- the magnet armature stop (A4) constitutes a stop for the bush (B),- the bush (B) touches the magnet armature stop (A4) during the movement from the idle position (RP) to the central position (MP), and- the bush (B) does not touch the magnet armature stop (A4) during the movement from the central position (MP) to the end position (EP),- the second spring element is biased or the stiffness of the second spring element is considerably higher than that of the first spring element, so that:- the first spring element (F1) is elastically deformed during the movement from the idle position (RP) to the central position (MP), but not during the movement from the central position (MP) to the end position (EP), and- the second spring element (F2) is elastically deformed during the movement from the central position (MP) to the end position (EP), but is not deformed or is deformed only to an insignificant extent during the movement from the idle position (RP) to the central position (MP).
- Magnet armature according to the preceding claim, wherein the first spring element (F1) and the second spring element (F2) are arranged in series.
- Magnet armature according to any one of the preceding claims, wherein- a movement from the idle position (RP) to the end position (EP) corresponds to a displacement by a distance h = h1 + h2 which is between 1.5 and 2.5 mm long, and- the movement from the idle position (RP) to the central position (MP) constitutes a displacement by h1, and- the movement from the central position (MP) to the end position (EP) constitutes a displacement by h2.
- Magnet armature according to any one of the preceding claims, wherein a movement from the idle position (RP) to the central position (MP) corresponds to a displacement by a distance h1 which lies in an interval of between 0.4 times and 0.6 times the distance h = h1 + h2 of the displacement from the idle position (RP) to the end position (EP).
- Magnet armature according to any one of the preceding claims, wherein 3.3 ≤ k2/k1 ≤ 3.6.
- Magnet armature according to any one of the preceding claims, wherein 0.5 N/mm ≤ k1 ≤ 0.9 N/mm and 2.3 N/mm ≤ k2 ≤ 2.7 N/mm.
- Magnet armature according to any one of the preceding claims, further comprising- a contact stamp (KS) and a magnetizable material (M), wherein- the contact stamp (KS) comprises an electrically conductive material and, in its end position (EP), is intended to interconnect two electrical contacts (EL1, EL2), and- the magnetizable material (M) comprises iron, cobalt and/or nickel.
- Magnet armature according to any one of the preceding claims, wherein- the bush (B) decouples the two springs (F1, F2) at least in one position (RP, MP, EP).
- Contactor (SCH), comprising- a magnet armature (MA) according to any one of the preceding claims having a bush (B) between the two spring elements (F1, F2),- a yoke (J) and- a guide (FU) with a mechanical stop (A1), wherein- the magnet armature (MA) and the yoke (J) form an electromagnetic actuator which is intended to move the magnet armature (MA) relative to the yoke (J) and to the guide (FU),- the bush (B) does not touch the mechanical stop (A1) in positions between the idle position (RP) and the central position (MP),- the bush (B) touches the mechanical stop (A1) in positions between the central position (MP) and the end position (EP).
- Contactor according to the preceding claim, wherein- the guide (FU) has a third stop (A3),- the third stop (A3) constitutes a limit for the movement of the magnet armature (MA), and- the magnet armature (MA), in its idle position (RP), touches the third stop (A3).
- Method for switching an electromagnetic contactor (SCH) according to claim 9 or 10 having a solenoid, a contact stamp (KS), a first spring element (F1) and a second spring element (F2), comprising the steps of:- activating the solenoid in an idle position (RP),- accelerating the contact stamp (KS) against the restoring force of the first spring element (F1) up to a central position (MP),- moving the contact stamp (KS) against the restoring force of the second spring element (F2) up to an end position (FP).
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