WO2006097452A1 - Magnetische betätigungsvorrichtung - Google Patents

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WO2006097452A1
WO2006097452A1 PCT/EP2006/060672 EP2006060672W WO2006097452A1 WO 2006097452 A1 WO2006097452 A1 WO 2006097452A1 EP 2006060672 W EP2006060672 W EP 2006060672W WO 2006097452 A1 WO2006097452 A1 WO 2006097452A1
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reference element
lever
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PCT/EP2006/060672
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Jörg HAGEN
Carsten Protze
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a magnetic actuator with a reference element, a relative to the reference element movably arranged between a first end position and a second actuator, wherein the reference element and / or the actuator comprises magnetizable material, a drive coil for generating the actuator from the first end position in the second end position moving magnetic field, a mechanical tensioning device for holding mechanical energy with which the actuator is to be brought from the second end position to the first end position, and a fixing means having a permanent magnet for generating an actuator relative to the reference element in the second end position fixing holding force.
  • the invention further relates to a switching device with a switch and such a magnetic actuator.
  • Such a magnetic actuator is preferably used to operate a high voltage or power switch.
  • Such an actuating device is known from EP 0 867 903 B1. This is designed to operate a vacuum switch to interrupt a high voltage circuit.
  • the actuator is moved against a restoring force of coil springs by means of an electromagnet from an open position to a closed position. In the closed position, the vacuum switch is then closed, ie a movable contact part of the vacuum switch contacts a fixed contact part of the switch.
  • On the actuator is still a permanent magnet whose magnetic field in motion direction of the actuator acts. In the on position, this permanent magnetic force holds the actuator against the return action of the coil springs.
  • the applied force from the permanent magnet is therefore very large, whereby a correspondingly large-sized permanent magnet must be attached to the actuator.
  • DE 103 09 697 discloses a magnetic linear drive having an iron core and a coil.
  • a movable armature is associated with a yoke and a permanent magnet. In a first end position of the armature, this is held due to the magnetic holding forces generated by the permanent magnet and a yoke bridging a gap in the iron core.
  • the actuator is held by mechanical latching in the end positions. That the mechanical latch provides a holding force in the direction of movement of the actuator.
  • mechanical latching is not always reliable in practice and also susceptible to wear, resulting in considerable costs.
  • the invention has for its object to provide a magnetic switching device with a compact designed magnetic actuator, in which a fixation of the actuator in the second end position can be reliably realized.
  • the fixing device comprises a permanent magnet containing, separate from the actuator fixing unit.
  • the task is also ner switching device with a switch and such an actuator dissolved.
  • the actuator fixing unit By providing a separate from the actuator fixing unit with the permanent magnet, no permanent magnet must be attached to the actuator, whereby the actuator can be made much more compact.
  • the reference element which generally surrounds the actuator, can thus be reduced in its dimensioning accordingly.
  • the magnetic actuator can be made more compact overall, but at the same time a fixation of the actuator in the second end position can be reliably realized.
  • the fixing unit is arranged separately from the reference element. This allows a particularly compact design of the unit formed by the reference element and the actuator of the magnetic actuator.
  • both the reference element and the actuator have magnetizable material, in particular ferromagnetic material.
  • the magnetic field generated by the drive coil can act both on the reference element and on the actuator for moving the actuator from the first end position to the second end position.
  • the magnetic holding force generated by the fixing device acts transversely to the direction of movement of the actuator.
  • the holding force required for fixing the actuator is then small. compared to a force urging the actuator from the locking position in the direction of movement of the actuator. Due to the relatively small amount of force required to hold the actuator, the fixation can be reliably realized. Also, only a correspondingly small amount of force is needed to solve the actuator from the fixation. Furthermore, by maintaining the finding no major costs, since only a relatively small holding force must be applied. Also, the low holding force hardly causes wear of the components acted upon with it, whereby the maintenance costs are reduced.
  • the reference element is coupled to the actuator via a lever arrangement which is designed to convert a force exerted by the actuator on the lever arrangement in the direction of movement of the actuator force into a transversely acting force smaller amount.
  • the actuator can be kept in a technically particularly simple and reliable manner by utilizing a smaller holding force in the second final setting position as compared to a restoring force applied to the actuator.
  • the provisioning costs for the holding reduce force as well as wear of the components to which the holding force acts, largely avoid.
  • the lever arrangement has a first lever which can be fastened rotatably to the reference element and a second lever which can be fastened rotatably to the actuator, wherein, in particular, the first lever and the second lever are connected to one another via a rotary joint.
  • the actuator can be kept in a particularly simple manner in the intended locking position, preferably the rotary joint for connecting the lever with a magnetizable material having a retaining element is coupled.
  • This magnetizable material may be in particular ferromagnetic material.
  • a magnetic field provided for fixing the holding element magnetizes such a holding element and exerts a corresponding magnetic holding force thereon.
  • the magnetic field emanating from the permanent magnet of the fixing device serves to fix the holding element to the fixing device, which in particular is fixed relative to the reference element. This can be on technically particularly simple and reliable way to realize the determination of the actuator in the intended position.
  • the fixing device and the retaining element in the position in which the retaining element is fixed to the fixing device form parts of a closed iron circle. That is, the holding member closes an open position of a magnetic iron circle.
  • the holding member closes an open position of a magnetic iron circle.
  • the holding member closes an open position of a magnetic iron circle.
  • the two holding elements can complete an iron circle by applying them on two spaced apart iron parts, wherein one of the iron parts contains a magnetic field generating element, such as a permanent magnet.
  • a magnetic field generating element such as a permanent magnet.
  • the mechanical tensioning device comprises a return spring.
  • the fixing device furthermore has a magnetic Tables separating coil, by means of which a counter-magnetic field can be generated, which counteracts the holding force generated by the permanent magnet. If now the counter-magnetic field is generated by means of the magnetic separating coil, then the holding force is reduced to such an extent that the force approximately exceeds a restoring spring, the holding force. As a result, the retainer moves away from the fixture. Since the strength of the holding magnetic field greatly decreases with increasing distance of the holding element from the fixing device, the magnetic separating coil can be quickly switched off again as soon as the holding element has a suitable distance from the fixing device.
  • the actuator moves automatically with disconnected coil by the force of the return spring automatically in the opposite end position, in particular in the open position. Since the isolating coil only has to be operated for a short time in order to switch off the switch, only a small amount of energy is required for this, which can optionally be provided by a suitably designed capacitor.
  • FIG. 1 is a partial sectional view of an actuating device according to the invention with an actuator located in an open position
  • FIG. 2 is a partial sectional view of the actuator of the invention shown in FIG. 1, wherein the actuator is in a closed position
  • 3 shows a sectional view of the actuating device shown in FIG. 1 with a cutting plane rotated by 90 ° with respect to the sectional plane of FIG. 1, FIG.
  • Fig. 4 is a sectional view of the actuator shown in Fig. 2 with a respect to the sectional plane of Fig. 2 rotated by 90 ° cutting plane, and
  • Fig. 5 is a schematic illustration of the voltage applied to a lever arrangement of the actuating device according to the invention forces.
  • FIGS. 1 and 2 show a magnetic actuation device according to the invention for actuating a high-voltage switch in a first sectional view. It shows an electromagnetic plunger-type armature drive which has a reference element 1 made of ferromagnetic material designed as a stator, a magnetic drive coil 2 serving as a turn-on coil and an actuator 3 made of ferromagnetic material designed as an armature.
  • a reference element 1 made of ferromagnetic material designed as a stator
  • a magnetic drive coil 2 serving as a turn-on coil
  • an actuator 3 made of ferromagnetic material designed as an armature.
  • the reference element 1 and the actuator 3 have corresponding oblique, from the magnetic flux of the drive coil 2 interspersed anchor and stator surfaces. This geometry makes it possible to optimally use the magnetic force generated by the magnetic drive coil 2, in particular with a large distance of the stator and armature surfaces to each other.
  • Figure 1 shows the actuator 3 in the off position. In this position, contact elements of the actuated via the control rod 3a high-voltage switch are disconnected.
  • the actuator 3 is made of ferromagnetic material and can be moved by means of serving as Einschaltspule magnetic drive coil 2 in the closed position shown in Figure 2. In this position, a small gap between the inclined surfaces of the reference element 1 and the actuator 3 remains to prevent mechanical welding of the two elements.
  • return springs 4 and 4 ' When switching on two arranged respectively between the actuator 3 and the reference element 1 return springs 4 and 4 'are compressed and thus put under tension.
  • FIGS. 1 and 2 are schematic illustrations of one in FIGS. 3 and 4 with respect to the sectional view of FIG. level of Figures 1 and 2 by 90 ° rotated cutting plane illustrated fixing device 16th
  • the fixing device 16 shown in FIGS. 3 and 4 consists of an open iron circle 5, a permanent magnet 6 and a magnetic separating coil 15.
  • the open iron circle consists of three preferably fixed individual iron parts 5a, 5b and 5c.
  • the first iron part 5a and the second iron part 5b are connected to each other via the permanent magnet 6, while a third iron part 5c is arranged offset upward with respect to the first two iron parts 5a and 5b.
  • This third iron part 5c is surrounded by the magnetic separation coil.
  • the two holding elements 7 and 7 ' are each arranged on a lever arrangement designed as a lever arrangement 8 or 8'. net.
  • the two lever arrangements 8 and 8 'each have a first lever 9 or 9' and a second lever 10 or 10 'connected thereto via a lever connection joint 13 or 13'.
  • the first lever arrangement 8 is in the sectional view shown on the left in FIGS. 3 and 4 with respect to the fixing device 16 and the second lever arrangement 8 'on the right.
  • the holding elements 7 and 7 'to the fixing device 16 In the closed position, the holding elements are 7 or 7 'to the respective contact surfaces of the open iron circuit 5 and are held by the magnetic force generated by the permanent magnet 6 thereto.
  • This magnetic holding force 14 or 14 ' is sufficient to keep the actuator 3 against the restoring force of the return springs 4 and 4' in the closed position.
  • the holding force 14 or 14 ' can e.g. by a factor of 10 be smaller than the restoring force of the return springs 4 and 4 '.
  • FIG. 5 shows the force transmission through the lever arrangement 8 'in the switched-on position shown in FIG. In this case, one behaves on the first pivot 12 'of the lever assembly in the direction of movement of the actuator 3 applied force F2 to a force acting on the lever joint joint 13 'perpendicular to the force F2 Fl as follows:
  • ⁇ i is the external angle between the direction of the force F2 and the direction of the first lever 9 'and 0 ( 2 is the external angle between the direction of the force F2 and the direction of the second lever 10'.
  • the actuator described is an electromagnetic actuator with a large stroke, in which the Ausoderergie is kept in the return spring.
  • This embodiment allows for a so-called OCO switching sequence a reduced provision of electrical energy. As shown, takes place in the closed position permanent magnetic positional fixing, whereas in the off position, a mechanical positional fixation due to the bias of the return springs.
  • the switch-on position and the switch-off position are the only two stable positions of the actuator.
  • the actuator Before the OCO switching sequence, the actuator is in the closed position, whereby the energy for the first turn-off is already stored in the return springs.
  • the power for the second cut-off is supplied to the system during start-up (return springs are cocked).
  • the energy For an OCO switching sequence, therefore, only the energy must be kept available for a switch-on (eg in capacitors), this energy corresponding to the energy requirement of the system for switching on and off, since the return springs are tensioned during switch-on.
  • the provision of the energy for the first switch-off is saved in the actuator according to the invention.

Abstract

Eine magnetische Betätigungsvorrichtung mit einem Bezugselement (1) , einem zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung relativ zum Bezugselement (1) beweglich angeordneten Stellglied (3) , wobei das Bezugselement (1) und/oder das Stellglied (3) magnetisierbares Material aufweist, einer Antriebsspule (2) zum Erzeugen eines das Stellglied (3) von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegenden Magnetfeldes, einer mechanischen Spannvorrichtung (4, 4') zum Vorhalten von mechanischer Energie, mit der das Stellglied (3) von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung zu bringen ist, und einer einen Permanentmagneten (6) aufweisenden Fixiereinrichtung (16) zum Erzeugen einer das Stellglied (3) relativ zum Bezugselement (1) in der zweiten Endstellung fixierenden Haltekraft, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiereinrichtung (16) eine den Permanentmagneten (6) enthaltende, vom Stellglied (3) getrennte Fixiereinheit (5) umfasst.

Description

Magnetische BetätigungsVorrichtung
Die Erfindung betrifft eine magnetische Betätigungsvorrichtung mit einem Bezugselement, einem zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung relativ zum Bezugselement beweglich angeordneten Stellglied, wobei das Bezugselement und/oder das Stellglied magnetisierbares Material aufweist, einer Antriebsspule zum Erzeugen eines das Stellglied von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegenden Magnetfeldes, einer mechanischen Spannvorrichtung zum Vorhalten von mechanischer Energie, mit der das Stellglied von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung zu bringen ist, und einer einen Permanentmagneten aufweisenden Fixiereinrichtung zum Erzeugen einer das Stellglied relativ zum Bezugselement in der zweiten Endstellung fixierenden Haltekraft. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltvorrichtung mit einem Schalter sowie einer derartigen magnetischen Betätigungsvorrichtung .
Eine derartige magnetische Betätigungsvorrichtung wird vorzugsweise zur Betätigung eines Hochspannungs- bzw. Leistungsschalters eingesetzt. Aus der EP 0 867 903 Bl ist eine solche Betätigungsvorrichtung bekannt. Diese ist darauf ausgelegt, einen Vakuumschalter zur Unterbrechung eines Hochspannungsstromkreises zu betätigen. Bei dieser Betätigungsvorrichtung wird das Stellglied gegen eine Rückstellkraft von Schraubenfedern mittels eines Elektromagneten von einer Ausschaltstellung in eine Einschaltstellung bewegt. In der Einschaltstellung ist dann der Vakuumschalter geschlossen, d.h. ein bewegliches Kontaktteil des Vakuumschalters kontaktiert ein festes Kontaktteil des Schalters. Am Stellglied befindet sich weiterhin ein Permanentmagnet, dessen Magnetfeld in Bewegungs- richtung des Stellgliedes wirkt. In der Einschaltstellung hält diese permanentmagnetische Kraft das Stellglied gegen die Rückstellwirkung der Schraubenfedern fest. Die vom Permanentmagneten aufzubringende Kraft ist daher sehr groß, wodurch ein entsprechend groß dimensionierter Permanentmagnet an dem Stellglied angebracht werden muss.
Die DE 103 09 697 offenbart einen magnetischen Linearantrieb, die einen Eisenkern sowie eine Spule aufweist. Einem bewegbaren Anker ist ein Joch sowie ein Permanentmagnet zugeordnet. In einer ersten Endposition des Ankers wird dieser aufgrund von von dem Permanentmagneten erzeugten magnetischen Haltekräften und einem einen Spalt in dem Eisenkern überbrückenden Joch gehalten.
Bei einer weiteren im Stand der Technik bekannten magnetischen Betätigungsvorrichtung wird das Stellglied mittels mechanischer Verklinkung in den Endstellungen festgehalten. D.h. die mechanische Verklinkung sorgt für eine Haltekraft in Bewegungsrichtung des Stellgliedes. Eine derartige mechanische Verklinkung ist allerdings in der Praxis nicht immer verlässlich und zudem verschleißanfällig, wodurch erhebliche Kosten entstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Schaltvorrichtung mit einer kompakt gestalteten magnetischen Betätigungsvorrichtung bereitzustellen, bei der eine Fixierung des Stellgliedes in der zweiten Endstellung verlässlich realisierbar ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Betätigungsvorrichtung gelöst, bei der die Fixiereinrichtung eine den Permanentmagneten enthaltende, vom Stellglied getrennte Fixiereinheit umfasst. Die Aufgabe ist ferner mit ei- ner Schaltvorrichtung mit einem Schalter sowie einer derartigen Betätigungsvorrichtung gelöst.
Durch das Vorsehen einer vom Stellglied getrennten Fixiereinheit mit dem Permanentmagneten, muss am Stellglied kein Permanentmagnet mehr angebracht werden, wodurch das Stellglied wesentlich kompakter ausgeführt sein kann. Das Bezugselement, das in der Regel das Stellglied umgibt, kann damit dementsprechend in seiner Dimensionierung verringert werden. Damit kann die magnetische Betätigungsvorrichtung insgesamt kompakter ausgeführt werden, gleichzeitig ist aber eine Fixierung des Stellglieds in der zweiten Endstellung verlässlich realisierbar.
In vorteilhafter Ausführungsform ist die Fixiereinheit vom Bezugselement getrennt angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung der vom Bezugselement und dem Stellelement gebildeten Baueinheit der magnetischen Betätigungsvorrichtung .
In zweckmäßiger Ausführungsform weist sowohl das Bezugselement als auch das Stellglied magnetisierbares Material, insbesondere ferromagnetisches Material auf. Damit kann das von der Antriebsspule erzeugte Magnetfeld sowohl an dem Bezugselement als auch an dem Stellglied zum Bewegen des Stellgliedes von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung angreifen .
Vorteilhafterweise wirkt die von der Fixiereinrichtung erzeugte magnetische Haltekraft quer zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes. Damit ist eine technisch besonders vorteilhafte Fixierung des Stellgliedes möglich. Bei Verwendung einer geeigneten Kraftübertragungseinrichtung ist dann nämlich die zur Festlegung des Stellglieds benötigte Haltekraft klein ge- genüber einer das Stellglied aus der Feststellposition drängenden Kraft in Bewegungsrichtung des Stellgliedes. Aufgrund des relativ geringen Betrags der zum Halten des Stellgliedes benötigten Kraft lässt sich die Fixierung verlässlich realisieren. Auch ist zur Lösung des Stellgliedes aus der Fixierung nur ein entsprechend kleiner Kraftaufwand nötig. Weiterhin entstehen durch das Aufrechterhalten der Feststellung keine großen Kosten, da nur eine vergleichsweise geringe Haltekraft aufgebracht werden muss. Auch bedingt die geringe Haltekraft kaum Verschleiß der mit ihr beaufschlagten Bauteile, wodurch auch die Wartungskosten verringert werden.
Es ist besonders wichtig, eine verlässliche Feststellung des Leistungsschalters in der Stromflussstellung sicherzustellen, um unnötige Stromunterbrechungen zu vermeiden. Daher ist es zweckmäßig, wenn in der zweiten Endstellung des Stellgliedes ein vom Stellglied betätigter Schalter eine leitende Verbindung herstellt. In dieser zweiten Endstellung befindet sich damit der Schalter in einer so genannten „Ein-Stellung" . Neben der „Ein-Stellung" ist lediglich eine „Aus-Stellung" des Schalters zulässig. In der „Aus-Stellung" des Schalters befindet sich das Stellglied in der von der mechanischen Spannvorrichtung verbrachten ersten Endstellung.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Bezugselement mit dem Stellglied über eine Hebelanordnung gekoppelt ist, welche zum Umwandeln einer vom Stellglied auf die Hebelanordnung in Bewegungsrichtung des Stellgliedes ausgeübten Kraft in eine quer dazu wirkende Kraft kleineren Betrags gestaltet ist. Damit kann das Stellglied auf technisch besonders einfache und verlässliche Weise unter Inanspruchnahme einer im Vergleich zu einer am Stellglied anliegenden Rückstellkraft kleineren Haltekraft in der zweiten Endstellstellung gehalten werden. Dadurch lassen sich die Bereitstellungskosten für die Halte- kraft verringern, sowie ein Verschleiß der Bauteile, an denen die Haltekraft angreift, weitgehend vermeiden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform weist die Hebelanordnung einen drehbar an dem Bezugselement befestigbaren ersten Hebel sowie einen drehbar an dem Stellglied befestigbaren zweiten Hebel auf, wobei insbesondere der erste Hebel und der zweite Hebel über ein Drehgelenk miteinander verbunden sind. Mit einer solchen Hebelanordnung wird eine technisch besonders einfache und verlässliche Realisierung einer Kraftübertragungsvorrichtung einer in Bewegungsrichtung des Stellgliedes wirkenden Kraft in eine Kraft geringeren Betrags quer zur Bewegungsrichtung erreicht. Eine derartige Hebelanordnung stellt ein Hebelgetriebe dar, mit welchem eine Kraftübersetzung von z.B. einem Faktor 10 realisiert werden kann. Das heißt, die zum Festhalten des Stellglieds in der vorgesehenen Feststellstellung benötigte Haltekraft kann z.B. um den Faktor 10 kleiner sein als eine an dem Stellglied anliegende Rückstellkraft einer Rückstellfeder.
Damit das Stellglied auf besonders einfache Weise in der vorgesehenen Feststellstellung gehalten werden kann, ist vorzugsweise das Drehgelenk zur Verbindung der Hebel mit einem ein magnetisierbares Material aufweisenden Halteelement gekoppelt. Dieses magnetisierbare Material kann insbesondere ferromagnetisches Material sein. Ein zur Fixierung des Halteelements vorgesehenes Magnetfeld magnetisiert ein solches Halteelement und übt eine entsprechende magnetische Haltekraft darauf aus .
Zweckmäßigerweise dient das vom Permanentmagneten der Fixiereinrichtung ausgehende Magnetfeld dazu, das Halteelement an der Fixiereinrichtung, welche insbesondere relativ zum Bezugselement feststeht, festzulegen. Damit lässt sich auf technisch besonders einfache und verlässliche Weise die Feststellung des Stellgliedes in der vorgesehenen Stellung realisieren.
Um eine besonders verlässliche und stabile Fixierung des Halteelements an der Fixiereinrichtung sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn die Fixiereinrichtung und das Halteelement in der Stellung, in der das Halteelement an der Fixiereinrichtung festgelegt ist, Teile eines geschlossenen Eisenkreises bilden. D.h., das Halteelement schließt eine offene Stelle eines magnetischen Eisenkreises. Damit ergeben sich eine oder zwei Halteflächen zwischen der Fixiereinrichtung und dem Halteelement. Letzteres erhöht die Stabilität bzw. Haltekraft der Fixierung. Vorzugsweise ist auch ein zweites Halteelement vorgesehen. In diesem Fall können die beiden Halteelemente durch beidseitiges Anlegen an zwei voneinander beabstandet angeordneten Eisenteile einen Eisenkreis vervollständigen, wobei eines der Eisenteile ein Magnetfeld erzeugendes Element, wie etwa einen Permanentmagneten enthält. In dem Fall von zwei Halteelementen ergeben sich damit vier Halteflächen für die Halteelemente an der von den Eisenteilen gebildeten Fixiereinrichtung, was eine besonders stabile Fixierung ermöglicht .
In einer darüber hinaus zweckmäßigen Ausführungsform umfasst die mechanische Spanneinrichtung eine Rückstellfeder. Damit kann in einem Fall, in dem eine Stromabschaltung des Hochspannungsstromkreises notwendig wird, der Leistungsschalter auf verlässliche Weise getrennt werden, nachdem das Halteelement aus der Feststellposition gelöst wurde.
Um eine Lösung des Stellgliedes aus der Feststellstellung mit minimalem Energieaufwand bewerkstelligen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Fixiereinrichtung weiterhin eine magne- tische Trennspule aufweist, mittels welcher ein Gegenmagnetfeld erzeugbar ist, welches der vom Permanentmagneten erzeugten Haltekraft entgegenwirkt. Wird nun das Gegenmagnetfeld mittels der magnetischen Trennspule erzeugt, so verringert sich die Haltekraft in einem solchen Maße, dass die Kraft etwa einer Rückstellfeder die Haltekraft übersteigt. Als Folge davon bewegt sich das Halteelement von der Fixiereinrichtung weg. Da die Stärke des Haltemagnetfelds mit größer werdendem Abstand des Halteelementes von der Fixiereinrichtung stark abnimmt, kann die magnetische Trennspule schnell wieder abgeschaltet werden, sobald das Halteelement einen geeigneten Abstand von der Fixiereinrichtung aufweist. Daraufhin bewegt sich das Stellglied selbst bei abgeschalteter Trennspule durch die Kraft der Rückstellfeder automatisch in die entgegengesetzte Endstellung, insbesondere in die Ausschaltstellung zurück. Da die Trennspule zum Ausschalten des Schalters nur kurzzeitig betrieben werden muss, ist dafür auch nur ein geringer Energieaufwand notwendig, der gegebenenfalls von einem entsprechend ausgelegten Kondensator bereitgestellt werden kann.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung mit einem in einer Ausschaltstellung befindlichen Stellglied,
Fig. 2 eine teilweise Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung gemäß Fig. 1, bei der das Stellglied sich in einer Einschaltstellung befindet, Fig. 3 eine Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Betätigungsvorrichtung mit einer gegenüber der Schnittebene der Fig. 1 um 90° gedrehten Schnittebene,
Fig. 4 eine Schnittansicht der in Fig. 2 gezeigten Betätigungsvorrichtung mit einer gegenüber der Schnittebene der Fig. 2 um 90° gedrehten Schnittebene, sowie
Fig. 5 eine schematische Veranschaulichung der an einer Hebelanordnung der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung anliegenden Kräfte.
In den Figuren 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße magnetische Betätigungsvorrichtung zur Betätigung eines Hochspannungsschalters in einer ersten Schnittansicht dargestellt. Darin ist ein elektromagnetischer Tauchankerantrieb zu sehen, welcher ein als Stator ausgebildetes Bezugselement 1 aus ferro- magnetischem Material, eine als Einschaltspule dienende magnetische Antriebsspule 2 sowie ein als Anker ausgebildetes Stellglied 3 aus ferromagnetischem Material aufweist. Dabei ist das bezüglich einer durch einen Stellstab 3a verlaufenden Achse rotationssymmetrische Stellglied 3 innerhalb einer an die Gestalt des Stellgliedes 3 angepassten Ausnehmung des Bezugselementes zwischen einer in der Zeichnung tiefer gelegenen Ausschaltstellung und einer höher gelegenen Einschaltstellung hin und her bewegbar.
Das Bezugselement 1 und das Stellglied 3 weisen einander entsprechende schräge, vom magnetischen Fluss der Antriebsspule 2 durchsetzte Anker- und Statorflächen auf. Diese Geometrie ermöglicht es, die von der magnetischen Antriebsspule 2 erzeugte Magnetkraft optimal zu nutzen, insbesondere bei großem Abstand der Stator- und Ankerflächen zueinander. Figur 1 zeigt das Stellglied 3 in der Ausschaltstellung. In dieser Stellung sind Kontaktelemente des über den Stellstab 3a betätigten Hochspannungsschalters getrennt. Das Stellglied 3 besteht aus ferromagnetischem Material und kann mittels der als Einschaltspule dienenden magnetischen Antriebsspule 2 in die in Figur 2 dargestellte Einschaltstellung verschoben werden. In dieser Stellung bleibt ein kleiner Spalt zwischen den schrägen Flächen des Bezugselements 1 und des Stellglieds 3 bestehen, um eine mechanische Verschweißung der beiden Elemente zu verhindern.
Beim Einschaltvorgang werden zwei jeweils zwischen dem Stellglied 3 und dem Bezugselement 1 angeordnete Rückstellfedern 4 bzw. 4' komprimiert und damit unter Spannung gesetzt. Die Rückstellfedern 4 und 4' erfüllen die Funktion von Ausschaltfedern, da die von ihnen in der Einschaltstellung auf das Stellglied 3 ausgeübte Rückstellkraft das Stellglied 3 wieder in die Ausschaltstellung zurückdrängt. Dabei sind die Rückstellfedern 4 und 4' so dimensioniert, dass die in Abhängigkeit des vom Hochspannungsschalter auszuschaltenden Stroms wirkenden Gasgegenkräfte überwunden werden können. Da die Ausschaltkraft nur vom Weg abhängig ist, ist sie unabhängig von der Dauer der Gegenkräfte. Vorzugsweise werden die Rückstellfedern 4, 4' nach der Ausschaltbewegung bei maximalen Gegenkräften ausgelegt.
In der Einschaltstellung liegt das vom Stellstab 3a betätigte Kontaktelement des Hochspannungsschalters an dem feststehenden Kontaktelement desselben an, wodurch der Hochspannungsschalter geschlossen ist. Das in den Figuren 1 und 2 unterbrochen dargestellte Rechteck ist eine schematische Andeutung einer in den Figuren 3 und 4 in bezüglich der Schnitt- ebene der Figuren 1 und 2 um 90° gedrehter Schnittebene dargestellten Fixiereinrichtung 16.
Die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Fixiereinrichtung 16 besteht aus einem offenen Eisenkreis 5, einem Permanentmagneten 6 sowie einer magnetischen Trennspule 15. Der offene Eisenkreis besteht aus drei vorzugsweise feststehenden einzelnen Eisenteilen 5a, 5b und 5c. Das erste Eisenteil 5a und das zweite Eisenteil 5b sind miteinander über den Permanentmagneten 6 verbunden, während ein drittes Eisenteil 5c bezüglich der ersten beiden Eisenteile 5a und 5b nach oben versetzt angeordnet ist. Dieses dritte Eisenteil 5c ist von der magnetischen Trennspule umgeben.
Werden nun zwei aus ferromagnetischem Material bzw. Eisen gebildete Halteelemente 7, 7', wie in Figur 4 dargestellt, an die seitlichen Anlageflächen des offenen Eisenkreises 5 angelegt, bildet sich aus dem offenen Eisenkreis 5 und den Halteelementen 7 bzw. 7' ein geschlossener Eisenkreis aus. Die durch den Permanentmagneten 6 erzeugten magnetischen Feldlinien verlaufen nun im geschlossenen Eisenkreis und bilden damit einen geschlossenen Magnetfeldkreis. In dem vorliegenden magnetischen Eisenkreis werden die Halteelemente 7 und 7' an jeweils zwei Stellen, nämlichen ihren jeweiligen Kontaktflächen mit den beiden Eisenteilen 5b und 5c an der Fixiereinrichtung 16 festgehalten. Durch die Aufteilung der vom permanentmagnetischen Fluss hervorgerufenen permanentmagnetischen Haltekraft auf vier in Reihe geschaltete Halteflächen im geschlossenen Eisenkreis erfolgt eine mehrfache Ausnutzung des magnetischen Flusses, wodurch das benötigte Magnetvolumen reduziert werden kann.
Die beiden Halteelemente 7 und 7' sind jeweils an einer als Hebelgetriebe ausgebildeten Hebelanordnung 8 bzw. 8' angeord- net. Die beiden Hebelanordnungen 8 bzw. 8' weisen jeweils einen ersten Hebel 9 bzw. 9' sowie einen damit über ein Hebelverbindungsgelenk 13 bzw. 13' verbundenen zweiten Hebel 10 bzw. 10' auf. Die ersten Hebel 9 bzw. 9' sind jeweils mit dem Bezugselement 1 über ein erstes Drehgelenk 11 bzw. 11' verbunden. Die zweiten Hebel 10 bzw. 10' sind jeweils über ein zweites Drehgelenk 12 bzw. 12' mit dem Stellglied 3 verbunden. Dabei befindet sich die erste Hebelanordnung 8 in der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schnittansicht links bezüglich der Fixiereinrichtung 16 und die zweite Hebelanordnung 8' rechts davon. Die Halteelemente 7 bzw. 7' sind jeweils an dem zugehörigen Hebelverbindungsgelenk 13 bzw. 13' befestigt.
Wird nun das Stellglied 3 von der in Figur 3 gezeigten Ausschaltstellung mittels der magnetischen Antriebsspule 2 in die in Fig. 4 gezeigte Einschaltstellung bewegt, so bewegen sich die Halteelemente 7 bzw. 7' auf die Fixiereinrichtung 16 zu. In der Einschaltstellung liegen die Halteelemente 7 bzw. 7' an den jeweiligen Anlageflächen des offenen Eisenkreises 5 an und werden durch die vom Permanentmagneten 6 erzeugte Magnetkraft daran festgehalten. Diese magnetische Haltekraft 14 bzw. 14' reicht aus, um das Stellglied 3 gegen die Rückstellkraft der Rückstellfedern 4 bzw. 4' in der Einschaltstellung zu halten. Dabei ist zu beachten, dass dazu aufgrund der Kraftübersetzung durch die Hebelanordnung 8 bzw. 8' eine im Vergleich zur Kraft der Rückstellfedern 4 bzw. 4' kleinere Haltekraft 14 bzw. 14' ausreicht. Bei der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung kann die Haltekraft 14 bzw. 14' z.B. um einen Faktor 10 kleiner sein als die Rückstellkraft der Rückstellfedern 4 bzw. 4' .
Figur 5 zeigt die Kraftübersetzung durch die Hebelanordnung 8' in der in Figur 4 dargestellten Einschaltstellung. Dabei verhält sich eine am ersten Drehgelenk 12' der Hebelanordnung in Bewegungsrichtung des Stellgliedes 3 anliegende Kraft F2 zu einer am Hebelverbindungsgelenk 13' senkrecht zur Kraft F2 wirkenden Kraft Fl wie folgt:
Fl
— = tanα, +tanα,
Fl ι 2 (i;
wobei αi der Außenwinkel zwischen der Richtung der Kraft F2 und der Richtung des ersten Hebels 9' ist sowie 0(2 der Außenwinkel zwischen der Richtung der Kraft F2 und der Richtung des zweiten Hebels 10' ist.
Soll nun das Stellglied 3 von der in Figur 4 gezeigten Einschaltstellung in die in Figur 3 gezeigte Ausschaltstellung verschoben werden, so wird mittels der magnetischen Trennspule 15 ein Magnetfeld erzeugt, das entgegengesetzt zu dem im geschlossenen Eisenkreis vom Permanentmagnet 6 erzeugten Magnetfeld gerichtet ist. Damit wird die magnetische Haltekraft 14 bzw. 14' derart reduziert, dass die von den Rückstellfedern 4 und 4' auf das Stellglied ausgeübte Rückstellkraft ausreicht, um das Stellglied 3 in die Ausschaltstellung zurückzuführen. Aufgrund des zunehmenden Abstandes zwischen den Halteelementen 7, 7' und der Fixiereinrichtung 16 überwiegt die Rückstellkraft im weiteren Verlauf des Ausschaltvorgangs auch ohne bestromte Trennspule 15 die Haltekraft, so dass der Ausschaltvorgang dann alleine von den Rückstellfedern 4, 4' getrieben wird. Durch einen nicht dargestellten äußeren Anschlag und einen Dämpfer wird die Ausschaltbewegung begrenzt und gedämpft .
Die beschriebene Betätigungsvorrichtung stellt einen elektromagnetischen Antrieb mit großem Hub dar, bei der die Ausschaltenergie in der Rückstellfeder vorgehalten wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht für eine so genannte OCO-Schaltfolge eine reduzierte Vorhaltung von elektrischer Energie. Wie dargestellt, erfolgt in der Einschaltstellung eine permanentmagnetische Lagefixierung, wohingegen in der Ausschaltstellung eine mechanische Lagefixierung aufgrund der Vorspannung der Rückstellfedern erfolgt. Die Einschaltstellung und die Ausschaltstellung sind die beiden einzigen stabilen Stellungen der Betätigungsvorrichtung.
Vor der OCO-Schaltfolge befindet sich die Betätigungsvorrichtung in der Einschaltstellung, wodurch die Energie für die erste Ausschaltung bereits in den Rückstellfedern gespeichert ist. Die Energie für die zweite Ausschaltung wird dem System während der Einschaltung zugeführt (Rückstellfedern werden gespannt) . Für eine OCO-Schaltfolge muss daher nur die Energie für eine Einschaltung vorgehalten werden (z.B. in Kondensatoren), wobei diese Energie dem Energiebedarf des Systems für eine Ein- und Ausschaltung entspricht, da die Rückstellfedern während der Einschaltung gespannt werden. Im Vergleich zu elektromagnetischen Antrieben ohne mechanische Energiespeicher, wie etwa Federn, wird bei der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung das Vorhalten der E- nergie für die erste Ausschaltung eingespart.
Bezugszeichenliste
1 Bezugselement
2 magnetische Antriebsspule
3 Stellglied 3a Stellstab
4 erste Rückstellfeder 4' zweite Rückstellfeder
5 offener Eisenkreis 5a erstes Eisenteil 5b zweites Eisenteil 5c drittes Eisenteil
6 Permanentmagnet
7 erstes Haltelement 7' zweites Haltelement
8 erste Hebelanordnung 8' zweite Hebelanordnung
9 erster Hebel der ersten Hebelanordnung 9' erster Hebel der zweiten Hebelanordnung
10 zweiter Hebel der ersten Hebelanordnung 10' zweiter Hebel der ersten Hebelanordnung
11 erstes Drehgelenk der ersten Hebelanordnung 11' erstes Drehgelenk der zweiten Hebelanordnung
12 zweites Drehgelenk der ersten Hebelanordnung 12' zweites Drehgelenk der zweiten Hebelanordnung
13 Hebelverbindungsgelenk der ersten Hebelanordnung 13' Hebelverbindungsgelenk der zweiten Hebelanordnung
14 Haltekraft am ersten Halteelement 14' Haltekraft am zweiten Halteelement
15 magnetische Trennspule
16 Fixiereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Magnetische Betätigungsvorrichtung mit
- einem Bezugselement (1)
- einem zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung relativ zum Bezugselement (1) beweglich angeordneten Stellglied (3) , wobei das Bezugselement (1) und/oder das Stellglied (3) magnetisierbares Material aufweist,
- einer Antriebsspule (2) zum Erzeugen eines das Stellglied (3) von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegenden Magnetfeldes,
- einer mechanischen Spannvorrichtung (4, 4') zum Vorhalten von mechanischer Energie, mit der das Stellglied (3) von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung zu bringen ist, und einer einen Permanentmagneten (6) aufweisenden Fixiereinrichtung (16) zum Erzeugen einer das Stellglied (3) relativ zum Bezugselement (1) in der zweiten Endstellung fixierenden Haltekraft, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fixiereinrichtung (16) eine den Permanentmagneten (6) enthaltende, vom Stellglied (3) getrennte Fixiereinheit (5) umfasst .
2. Magnetische Betätigungsvorrichtung 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 Fixiereinheit (5) vom Bezugselement (1) getrennt angeordnet ist.
3. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sowohl das Bezugselement (1) als auch das Stellglied (3) magnetisierbares Material, insbesondere ferromagnetisches Material aufweist.
4. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von der Fixiereinrichtung (16) erzeugte magnetische Haltekraft quer zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes (3) wirkt.
5. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der zweiten Endstellung des Stellgliedes (3) ein vom Stellglied (3) betätigter Schalter eine leitende Verbindung herstellt .
6. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Bezugselement (1) mit dem Stellglied (3) über eine Hebelanordnung (8, 8') gekoppelt ist, welche zum Umwandeln einer vom Stellglied (3) auf die Hebelanordnung (8, 8') in Bewegungsrichtung des Stellgliedes (3) ausgeübten Kraft (F2) in eine quer dazu wirkende Kraft (Fl) kleineren Betrags gestaltet ist.
7. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Hebelanordnung einen drehbar an dem Bezugselement (1) befestigbaren ersten Hebel (9, 9') sowie einen drehbar an dem Stellglied (3) befestigbaren zweiten Hebel (10, 10') aufweist, wobei insbesondere der erste Hebel (9, 9') und der zweite Hebel (10, 10') über ein Drehgelenk (13, 13') miteinander verbunden sind.
8. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Drehgelenk (13, 13') zur Verbindung der beiden Hebel (9, 9', 10, 10') mit einem ein magnetisierbares Material aufweisenden Halteelement (7, 7') gekoppelt ist.
9. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das vom Permanentmagneten (6) der Fixiereinrichtung (16) ausgehende Magnetfeld dazu dient das Halteelement (7, 7') an der Fixiereinrichtung (16), welche insbesondere relativ zum Bezugselement (1) feststeht, festzulegen.
10. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder
'/ d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fixiereinrichtung (16) und das Halteelement (7, 7') in der Stellung, in der das Halteelement (7, 7') an der Fixiereinrichtung (16) festgelegt ist, Teile eines geschlossenen Eisenkreises bilden.
11. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mechanische Spanneinrichtung (4, 4') eine Rückstellfeder umfasst .
12. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fixiereinrichtung (16) weiterhin eine magnetische Trennspule (15) aufweist, mittels welcher ein Gegenmagnetfeld erzeugbar ist, welches der vom Permanentmagneten erzeugten Haltekraft entgegenwirkt.
13. Schaltvorrichtung mit einem Schalter sowie einer magnetischen Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Schalters nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
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