WO2006133659A1 - Elektromagnetisches schaltgerät sowie verfahren zum betrieb des elektromagnetischen schaltgeräts - Google Patents

Elektromagnetisches schaltgerät sowie verfahren zum betrieb des elektromagnetischen schaltgeräts Download PDF

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Norbert Mitlmeier
Diethard Runggaldier
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Definitions

  • Electromagnetic switching device and method for operating the electromagnetic switching device are Electromagnetic switching device and method for operating the electromagnetic switching device
  • the invention relates to an electromagnetic switching device having the features according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for operating such a switching device according to the preamble of patent claim 9.
  • a control or auxiliary current energizes the magnetic drive, which holds the movable and the fixed contact pieces in a power circuit contacted as long as the control current flows.
  • Such a switching device is also referred to in particular as a contactor.
  • the contact carrier accelerates due to the stored energies of the restoring means in the direction of the Ausanschlag, which is opened in the embodiment as a contactor, the contact between the fixed and the movable contact pieces. Due to the acceleration of the contact carrier beats at high speed on the Ausanschlag.
  • the stop of the contact carrier on the Ausanschlag leads to a significant burden on the mechanics of the switching device. At today achievable several million switching cycles leads This leads to a high degree of wear and tear not only of the directly involved parts and thus to a limitation of the achievable service life of the switching device. Furthermore, the stop of the contact carrier on the Ausanschlag leads by the thereby occurring enormous acceleration also to an acoustic impairment of the environment.
  • breaking capacity of a contactor designed as a switching device can be adversely affected by high rebound values and a concomitant short-term reduction in the contact opening. This can only be counteracted by keeping the turn-off speed low, which means that no short switching times can be achieved.
  • damping materials are known at Ausanschlag that dampen the attack. Disadvantageously, such damping materials have a limited life. Also, the enormous mechanical load can only be absorbed insufficiently. Also, the noise pollution can only be reduced within certain limits.
  • the object of the invention is to provide an electromagnetic switching device of the type mentioned, which compared to conventional switching devices has an improved life and a lower noise level of the Ausanschlags.
  • the first object is achieved for an electromagnetic switching device with a number of fixed contact pieces, with a magnetic drive and with a magnetic drive against return means movable contact carrier on which a number of movable contact pieces is arranged, as well as with a Ausanschlag for the contact carrier, according to the invention solved by a Sensor for detecting the position of the contact carrier and by a control unit connected to the sensor, which controls the magnetic drive during a switch-off operation for braking the contact carrier before the stop on the Ausanschlag and / or controls.
  • the invention is based on the consideration that it is possible by detecting the position of the contact carrier to follow the movement of the contact carrier. In particular, it is then possible to control the movement of the contact carrier before striking the Ausanschlag. In this case, the detection of the position of the contact carrier directly on the contact carrier, connected to it
  • Parts are made as the anchor or by means of an attached to the moving parts with the contact carrier encoder.
  • the invention is based on the recognition that the magnetic drive is used in a switching device of the type mentioned for accelerating the contact carrier against the return means. If the magnetic drive is acted upon by a control current in a closed position, the armature and thus the contact carrier are accelerated against the return means. If the magnetic drive is turned off, the contact carrier accelerates as a result of the return means towards the Ausanschlag.
  • the invention now knows in a third step, that the magnetic drive can be selectively used in a shutdown phase due to its effect of acceleration of the contact carrier against the return means and for braking the accelerated to the Ausanschlag contact carrier. Such a deceleration can be done for example by a short pulse of current to the magnetic drive, just before the contact carrier strikes the Ausanschlag.
  • the speed of the contact carrier can be slowed just before the Ausanschlag so that the contact carrier strikes the Ausanschlag with a speed that goes to zero.
  • a control unit is used which tracks the movement or position of the contact carrier by means of the position sensor and influences the speed of the contact carrier before impacting the end stop as a function of these sensor signals by means of the magnetic drive.
  • Suitable sensors are optical, magnetic, mechanical or capacitive sensors. It is also possible to use so-called proximity switches which work with sound, magnetic effects or capacitive. Also simple sliding contacts can be used.
  • the impulse transmitted from the contact carrier to the stop and thus the mechanical load on the affected components is significantly reduced. This increases the life of the switching device. Furthermore, the acoustic pollution of the environment is significantly reduced. If the movable contact pieces are contacted in a closed position of the magnetic drive against the fixed contact pieces and opened in an open position of the magnetic drive, the measure also has no negative effect on the Ausschaltverzugszeit, since the movement of the contact carrier is decelerated immediately before hitting the Ausanschlag , The current pulses to the magnetic drive can be dimensioned so that the contact carrier is braked a few millimeters before the stop and gently impinges. The switch-off rebound can then be regarded as negligible. Elaborate mechanical designs to reduce knockout rebound are no longer required and are not subject to wear over their lifetime.
  • the magnetic drive comprises an electromagnetic closing coil and an armature which is connected to the contact carrier. If the closing coil flows through current, then the armature and thus the contact carrier is moved toward the coil by the resulting magnetic field.
  • control unit provided to control the movement of the contact carrier during a turn-off operation is also used to open or close the contacts themselves, i. used to control the control current for the magnetic drive. It is then required for the switching device only a single control unit that controls both the turn-on and turn-off and the movement of the contact carrier before the meeting on the Ausanschlag.
  • Magnetic or electrical means can be used as restoring means in principle.
  • the mechanical return means in particular return springs used. These are inexpensive and have proven themselves.
  • Mechanical restoring springs can be used both in compression and in tension.
  • a permanent magnet is used as the accelerating means.
  • the use of a permanent magnet for example, at the Ausanschlag, it is possible, after switching off the magnetic drive, an increase in the force acting on the contact carrier restoring force in Direction to reach the Ausanschlag out. This increases the switch-off or contact opening speed of the switching device.
  • an electromagnetic opening coil can be used. This can be used by controlling the current flowing through it to accelerate the contact carrier.
  • magnetic pole surfaces can be attached to the armature, in particular the armature back.
  • a coil offers over a permanent magnet the advantage that the acceleration of the contact carrier is regulated or controllable.
  • control unit already used for braking the contact carrier is also used to control or control the opening coil.
  • the position of the contact carrier detected and the magnetic drive is controlled or regulated so that is slowed down during a shutdown of the contact carrier before the stop on the Ausanschlag.
  • 1 shows schematically a switching device with a Ausanschlag for the contact carrier, a magnetic drive and an associated control unit for braking the contact carrier
  • 2 schematically shows a switching device according to FIG 1, wherein a permanent magnet is used to accelerate the contact carrier after switching off,
  • FIG. 3 shows schematically a switching device according to FIG. 1, wherein the acceleration of the contact carrier according to FIG.
  • FIG 3 shows a diagram of the time course of the control currents of a closing coil and of an opening coil as well as the speed of the contact carrier during the switching-off operation.
  • FIG. 1 shows schematically a switching device 1 with a movable contact carrier 4 and provided for moving the contact carrier 4 magnetic drive 6.
  • the contact carrier 4 has contact piece carrier 8, sitting on the ends of movable contact pieces 9.
  • the front fixed contact pieces 12 and the rear fixed contact pieces are integrated into a power circuit to be switched.
  • the power circuit is open; the movable contact pieces 9 are not contacted with the fixed contact pieces 12.
  • the contact carrier 4 rests against the stop 14.
  • the movable contact pieces 9 contact the fixed contact pieces 12 in the foreground with the fixed rear contact pieces (not shown), whereby a high-voltage circuit is closed.
  • the movable contact pieces 9 are effectively connected as a bridge in the power circuit.
  • the magnetic drive 6 electromagnetic closing coils 16 and a metallic yoke 18 for closing the magnetic field lines. If a control current is passed through the closing coils 16, the armature 20 and with it the contact carrier 4 firmly connected thereto are pulled downwards in the direction of the closing coils 16 by the resulting magnetic field.
  • This movement of the contact carrier 4 act as a return means to the contact piece carrier 8 arranged mechanical main contact springs 22 and the contact carrier 4 directly applied mechanical return springs 23 against.
  • only one main contact spring 22 and one return pressure spring 23 are drawn.
  • the main contact springs 22 are stretched and the return springs 23 compressed, with the necessary for the opening process potential spring energy is stored.
  • a control unit 25 which comprises a rectifier 27, a microcontroller 29 and a power module 30.
  • the rectifier 27 is connected to an AC voltage.
  • the power supply unit 30 outputs the control current flowing via the closing coils 16.
  • the control unit 25 controls the switch-on and switch-off operation of the switching device 1 via the control current.
  • the microcontroller 29 is connected to a position sensor 32 which detects the position of the contact carrier 4 by means of a sensor sensor 33.
  • the sensor slider 33 is attached to the contact carrier 4.
  • the position sensor 32 is designed as an optical sensor which monitors the position of the contact carrier 4 via markings affixed on the sensor carrier 33. If, starting from a switch-on position of the switching device 1 with the magnetic drive 6 switched on, the control current flowing via the closing coils 16 is switched off, then the contact carrier 4 accelerates towards the stop 14. In this case, the microcontroller 29 monitors the position of the contact carrier 4 by means of the position sensor 32. If a preset position is detected in the immediate vicinity in front of the stop 14, then the control unit 25 applies one or more current pulses to the closing coils 16. carrier 4 is braked. By continuously monitoring the movement of the contact carrier 4 while the impact velocity of the contact carrier is reduced to the Ausanschlag 14 to a fixed, going to zero value.
  • both the noise level of the stopper and the mechanical loads resulting from the impulse transmission to the stopper 14 are small compared to conventional switching devices.
  • the life of the switching device 1 is extended compared to conventional switching devices.
  • the turn-off rebound value is further improved.
  • FIG 2 shows a switching device 2, which in addition to the switching device 1 shown in FIG 1 additionally side of the magnetic drive 6 arranged permanent magnet 35 has.
  • the main contact springs 22 and return springs 23 used as return means are no longer shown for the sake of clarity.
  • a fixed magnetic yoke 36 is disposed on the permanent magnet 35.
  • the contact carrier 4 interacts with the permanent magnets 35 interacting magnetic pole surfaces 38.
  • the magnetic pole surfaces 38 and the permanent magnets 35 are aligned such that between them a repulsive interaction arises.
  • the sensor slider 33 is extended beyond the magnetic yoke 36 addition.
  • the armature 20 When switched on, the armature 20 abuts the magnetic drive 6.
  • the fixed contact pieces 12 are contacted with the movable contact pieces 9.
  • the contact carrier 4 accelerates towards the stop 14 due to the energy stored in the main contact springs 22 and the return springs 23.
  • the contact carrier 4 is now accelerated by the repulsive magnetic interaction between the magnetic pole faces 38 and the permanent magnets 35. As a result, the opening speed of the contacts is increased or the switch-off delay time of the switching device 2 with respect to the switching device 1 is further reduced.
  • Switching device 2 thus has compared to conventional switching devices not only an improved Ausschaltverzugszeit but equally reduced Ausschaltt Wegprallagonist, a lower noise level and a longer service life.
  • the permanent magnets 35 are replaced by electromagnetic opening coils 40 arranged around the magnetic return straps 36.
  • the opening coils 40 are connected to the power unit 30 of the control unit 25.
  • the design of the switching device 3 enables a controlled or regulated acceleration of the switch-off process by controlling the opening coils 40 by the control unit 25.
  • a further increase of the Ausschaltverzugszeit or the contact opening time can be achieved.
  • the movement of the contact carrier 4 can be gently braked.
  • FIG. 4 the current curve 45 of a closing coil 16, the current profile 47 of an opening coil 40 and the velocity profile 49 of the contact carrier 4 during the switching-off operation are shown for the switching device 3 in a simplified diagram over time.
  • the contacts are closed.
  • the closing coil 16 is a control current.
  • the opening coil 40 is not driven.
  • the contact carrier 4 rests.
  • the control current of the closing coil 16 is switched off.
  • the opening coil 40 is acted upon in section 52 with a control current.
  • the control current of the opening pulp 40 is gradually reduced.
  • the control current of the opening coil 40 is turned off.
  • the force acting on the contact carrier 4 by the mechanical return means decreases with increasing distance. In the example shown, this force is not sufficient after switching off the control current of the opening coil 40 in order to maintain the achieved speed.
  • the speed of the contact carrier 4 decreases.

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Abstract

Es wird ein elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) mit einer Anzahl von festen Kontaktstücken (12), mit einem Magnetantrieb (6) und mit einem vom Magnetantrieb (6) gegen Rückstellmittel bewegbaren Kontaktträger (4), auf dem eine Anzahl von beweglichen Kontaktstücken (9) angeordnet ist, sowie mit einem Ausanschlag (14) für den Kontaktträger (4) angegeben, wobei ein Sensor (32) zur Erfassung der Position des Kontaktträgers (4) und eine mit dem Sensor (32) verbundene Kontrolleinheit (25) vorgesehen sind, und wobei die Kontrolleinheit (25) den Magnetantrieb (6) während eines Ausschaltvorgangs zum Abbremsen des Kontaktträgers (4) vor dem Anschlag auf den Ausanschlag (14) regelt und/oder steuert. Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Schaltgeräts (1, 2, 3) angegeben. Der Kontaktträger (4) überträgt lediglich einen kleinen Impuls auf den Ausanschlag (14), wodurch die mechanische Belastung der beteiligten Bauteile gering wird. Somit weist ein derartiges Schaltgerät (1, 2, 3) gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten eine verlängerte Lebensdauer auf.

Description

Beschreibung
Elektromagnetisches Schaltgerät sowie Verfahren zum Betrieb des elektromagnetischen Schaltgeräts
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Schaltgerät mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Schaltgeräts gemäß dem Oberbegriff des Pa- tentanspruchs 9.
In einem Schaltgerät der eingangs genannten Art erregt ein Steuer- oder Hilfsstrom den Magnetantrieb, der die beweglichen und die festen Kontaktstücke in einem Starkstromkreis solange kontaktiert hält, solange der Steuerstrom fließt. Ein solches Schaltgerät wird insbesondere auch als ein Schütz bezeichnet. Ebenso ist es aber auch möglich, den Stromkreis geöffnet zu halten, solange der Steuerstrom fließt. Dann ist der Starkstromkreis geschlossen, wenn der Magnetantrieb aus- geschaltet ist. Durch einen schwachen Steuerstrom kann demnach ein Starkstromkreis geschlossen bzw. geöffnet werden.
Wird der Steuerstrom ausgeschaltet, so beschleunigt der Kontaktträger aufgrund der gespeicherten Energien der Rückstell- mittel in Richtung auf den Ausanschlag, wobei bei der Ausgestaltung als Schütz die Kontaktierung zwischen den festen und den beweglichen Kontaktstücken geöffnet wird. Durch die Beschleunigung schlägt der Kontaktträger mit hoher Geschwindigkeit auf den Ausanschlag.
Der Anschlag des Kontaktträgers auf dem Ausanschlag führt zu einer erheblichen Belastung der Mechanik des Schaltgeräts. Bei heute erzielbaren mehreren Millionen Schaltspielen führt dies zu einer hohen Abnutzung nicht nur der direkt beteiligten Teile und somit zu einer Begrenzung der erreichbaren Lebensdauer des Schaltgeräts. Weiter führt der Anschlag des Kontaktträgers auf dem Ausanschlag durch die dabei auftre- tende enorme Beschleunigung auch zu einer akustischen Beeinträchtigung der Umgebung.
Des Weiteren kann das Ausschaltvermögen eines als Schütz ausgebildeten Schaltgeräts durch hohe Rückprallwerte und einer damit einhergehenden kurzfristigen Verringerung der Kontaktöffnung negativ beeinflusst werden. Dem kann nur dadurch begegnet werden, dass die Ausschaltgeschwindigkeit gering gehalten wird, wodurch sich aber keine kurzen Schaltzeiten realisieren lassen.
Zur Lösung der angesprochenen Problematik sind Dämpfungsmaterialien am Ausanschlag bekannt, die den Anschlag dämpfen. Nachteiligerweise haben derartige Dämpfungsmaterialien eine begrenzte Lebensdauer. Auch kann die enorme mechanische Be- lastung nur ungenügend aufgefangen werden. Auch lässt sich damit die Geräuschbelästigung nur innerhalb gewisser Grenzen verringern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromagnetisches Schalt- gerät der eingangs genannten Art anzugeben, welches gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten eine verbesserte Lebensdauer und einen geringeren Schallpegel des Ausanschlags aufweist.
Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, für ein elektromagneti- sches Schaltgerät der eingangs genannten Art ein Verfahren zum Betrieb anzugeben, mit welchem sich gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten eine verbesserte Lebensdauer und ein geringerer Schallpegel des Ausanschlags erzielen lässt. Die erstgenannte Aufgabe wird für ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einer Anzahl von festen Kontaktstücken, mit einem Magnetantrieb und mit einem vom Magnetantrieb gegen Rückstellmittel bewegbaren Kontaktträger, auf dem eine Anzahl von beweglichen Kontaktstücken angeordnet ist, sowie mit einem Ausanschlag für den Kontaktträger, erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor zur Erfassung der Position des Kontaktträgers und durch eine mit dem Sensor verbundene Kon- trolleinheit, die den Magnetantrieb während eines Ausschaltvorgangs zum Abbremsen des Kontaktträgers vor dem Anschlag auf den Ausanschlag regelt und/oder steuert.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass es durch die Erfassung der Position des Kontaktträgers möglich wird, den Bewegungsablauf des Kontaktträgers zu verfolgen. Insbesondere wird es dann möglich, die Bewegung des Kontaktträgers vor dem Auftreffen auf dem Ausanschlag zu kontrollieren. Dabei kann die Erfassung der Position des Kontaktträgers direkt am Kontaktträger, an damit in Verbindung stehenden
Teilen wie dem Anker oder mittels eines an den mit dem Kontaktträger bewegten Teilen befestigten Geber vorgenommen werden.
In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass der Magnetantrieb in einem Schaltgerät der eingangs genannten Art zur Beschleunigung des Kontaktträgers gegen die Rückstellmittel eingesetzt wird. Wird der Magnetantrieb in einer Einschaltstellung mit einem Steuerstrom beauf- schlagt, so wird der Anker und damit der Kontaktträger gegen die Rückstellmittel beschleunigt. Wird der Magnetantrieb ausgeschaltet, so beschleunigt der Kontaktträger infolge der Rückstellmittel hin auf den Ausanschlag. Die Erfindung er- kennt nun in einem dritten Schritt, dass der Magnetantrieb aufgrund seiner Wirkung einer Beschleunigung des Kontaktträgers gegen die Rückstellmittel in einer Ausschaltphase gezielt auch zum Abbremsen des auf den Ausanschlag beschleunig- ten Kontaktträgers eingesetzt werden kann. Eine solche Abbremsung kann beispielsweise durch einen kurzen Stromimpuls auf den Magnetantrieb geschehen, kurz bevor der Kontaktträger auf den Ausanschlag trifft.
Durch einen oder mehrere Stromimpulse auf den Magnetantrieb kann beispielsweise die Geschwindigkeit des Kontaktträgers kurz vor dem Ausanschlag so verlangsamt werden, dass der Kontaktträger mit einer Geschwindigkeit, die gegen Null geht, auf den Ausanschlag trifft. Zur Steuerung und/oder Regelung dieser Auftreffgeschwindigkeit ist eine Kontrolleinheit eingesetzt, die mittels des Positionssensors die Bewegung oder Position des Kontaktträgers verfolgt und in Abhängigkeit von diesen Sensorsignalen mittels des Magnetantriebs die Geschwindigkeit des Kontaktträgers vor dem Auftreffen auf den Ausanschlag beeinflusst.
Als Sensoren kommen optische, magnetische, mechanische oder kapazitive Sensoren in Frage. Auch können so genannte Näherungsschalter eingesetzt werden, die mit Schall, Magnet- effekten oder kapazitiv arbeiten. Auch können einfache Schleifkontakte verwendet werden.
Durch das Abbremsen des Kontaktträgers vor dem Auftreffen auf den Ausanschlag wird der vom Kontaktträger auf den Aus- anschlag übertragene Impuls und damit die mechanische Belastung der betroffenen Bauteile deutlich verringert. Dies erhöht die Lebensdauer des Schaltgeräts. Weiter wird die akustische Belastung der Umwelt deutlich verringert. Sind die beweglichen Kontaktstücke in einer Einschaltstellung des Magnetantriebs gegen die festen Kontaktstücke kontaktiert und in einer Ausschaltstellung des Magnetantriebs geöffnet, so hat die Maßnahme zudem keine negative Wirkung auf die Aus- schaltverzugszeit , da die Bewegung des Kontaktträgers unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Ausanschlag abgebremst wird. Die Stromimpulse auf den Magnetantrieb können so bemessen werden, dass der Kontaktträger wenige Millimeter vor dem Ausanschlag abgebremst wird und sanft auftrifft. Der Aus- schaltrückprall kann dann als vernachlässigbar angesehen werden. Aufwändige mechanische Konstruktionen zur Reduzierung des Ausschaltrückpralls sind nicht mehr erforderlich und unterliegen über die Lebensdauer auch keinem Verschleiß.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Magnetantrieb eine elektromagnetische Schließspule und einen Anker, der mit dem Kontaktträger verbunden ist. Wird die Schließspule von Strom durchflössen, so wird durch das entstehende Magnetfeld der Anker und damit der Kontaktträger auf die Spule hinbewegt.
Zweckmäßigerweise wird die Kontrolleinheit, die zur Ansteuerung bzw. Regelung der Bewegung des Kontaktträgers während eines Ausschaltvorgangs vorgesehen ist, auch zum Öffnen oder Schließen der Kontakte an sich, d.h. zur Steuerung oder Regelung des Steuerstroms für den Magnetantrieb verwendet. Es wird dann für das Schaltgerät nur eine einzige Kontrolleinheit benötigt, die sowohl den Einschalt- bzw. Ausschaltvorgang als auch die Bewegung des Kontaktträgers vor dem Auf- treffen auf dem Ausanschlag steuert bzw. regelt.
Als Rückstellmittel können prinzipiell magnetische oder elektrische Mittel eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wer- den jedoch mechanische Rückstellmittel, insbesondere Rückstellfedern, eingesetzt. Diese sind preiswert und haben sich bewährt. Dabei können mechanische Rückstellfedern sowohl in Druck- als auch in Zugrichtung verwendet werden.
Üblicherweise führt bei einem Schütz eine für den Anschlag des Kontaktträgers günstige Beeinflussung des Ausschaltvorgangs, wie z.B. eine Verringerung der Rückstellkräfte, zu einer unerwünschten Erhöhung der Ausschaltverzugszeit des Schaltgeräts. Weiter nimmt bei mechanischen Rückstellfedern nach dem Ausschalten die Rückstellkraft und damit die Beschleunigung des Kontaktträgers mit zunehmender Nähe zum Ausanschlag ab. Bei einem konventionell konstruierten Schaltgerät ist daher eine weitere Erhöhung der Beschleunigung des Kontaktträgers nach dem Ausschalten und damit eine weitere Verkürzung der Ausschaltverzugszeit oder der Ausschaltgeschwindigkeit nicht möglich. Wird jedoch eine Kontrolleinheit zur Beeinflussung des Bewegungsverlaufs des Kontaktträgers, insbesondere zur Abbremsung des Kontaktträgers vor dem Auf- treffen auf dem Ausanschlag, eingesetzt, so können vorteilhafterweise Beschleunigungsmittel zur Beschleunigung des Kontaktträgers während des Ausschaltvorgangs in Richtung auf den Ausanschlag eingesetzt werden. Die dadurch gezielt gesteigerte Geschwindigkeit des Kontaktträgers wird vor dem Auf- treffen auf dem Ausanschlag wieder verringert. Werden derartige Beschleunigungsmittel eingesetzt, so kann die Ausschaltgeschwindigkeit des Schaltgeräts deutlich erhöht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird als Beschleuni- gungsmittel ein Permanentmagnet eingesetzt. Durch den Einsatz eines Permanentmagneten beispielsweise am Ausanschlag wird es möglich, nach dem Ausschalten des Magnetantriebs einen Anstieg der auf den Kontaktträger wirkenden Rückstellkraft in Richtung auf den Ausanschlag hin zu erreichen. Damit wird die Ausschalt- oder Kontaktöffnungsgeschwindigkeit des Schaltgeräts gesteigert.
Alternativ zu einem Permanentmagneten kann eine elektromagnetische Öffnungsspule verwendet werden. Diese kann durch Steuerung des sie durchfließenden Stroms zur Beschleunigung des Kontaktträgers eingesetzt werden. Hierbei können beispielsweise auf dem Anker, insbesondere dem Ankerrücken, Magnetpol- flächen angebracht sein. Eine Spule bietet gegenüber einem Permanentmagneten den Vorteil, dass die Beschleunigung des Kontaktträgers regel- bzw. steuerbar wird.
Zweckmäßigerweise wird auch zur Regelung oder Steuerung der Öffnungsspule die bereits zur Abbremsung des Kontaktträgers eingesetzte Kontrolleinheit herangezogen.
Die Aufgabe bezüglich des Verfahrens zum Betrieb zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräts mit einer Anzahl von festen Kontaktstücken, mit einem Magnetantrieb und mit einem vom Magnetantrieb gegen Rückstellmittel bewegbaren Kontaktträger, auf dem eine Anzahl von beweglichen Kontaktstücken angeordnet ist, sowie mit einem Ausanschlag für den Kontaktträger, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Posi- tion des Kontaktträgers erfasst und der Magnetantrieb derart gesteuert oder geregelt wird, dass während eines Ausschaltvorgangs der Kontaktträger vor dem Anschlag auf den Ausanschlag abgebremst wird.
Mit einem derartigen Verfahren werden die bereits genannten Vorteile erzielt. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Kontaktträger vor dem Abbremsen durch Beschleunigungsmittel auf den Ausanschlag hin beschleunigt wird. Dies führt zu der bereits erwähnten Verkürzung der Ausschaltzeit des als Schütz ausgebildeten Schaltgeräts. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn diese Beschleunigungsmittel gesteuert- und/oder geregelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch eine Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 schematisch ein Schaltgerät mit einem Ausanschlag für den Kontaktträger, einem Magnetantrieb und einer damit verbundenen Kontrolleinheit zum Abbremsen des Kontaktträgers, FIG 2 schematisch ein Schaltgerät gemäß FIG 1, wobei zur Beschleunigung des Kontaktträgers nach dem Ausschalten ein Permanentmagnet eingesetzt ist,
FIG 3 schematisch ein Schaltgerät gemäß FIG 1, wobei zur Beschleunigung des Kontaktträgers nach dem
Ausschalten eine elektromagnetische Öffnungsspule eingesetzt ist und
FIG 4 für ein Schaltgerät gemäß FIG 3 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Steuerströme einer Schließspule und einer Öffnungsspule sowie der Geschwindigkeit des Kontaktträgers während des Ausschaltvorgangs.
FIG 1 zeigt schematisch ein Schaltgerät 1 mit einem bewegba- ren Kontaktträger 4 und einem zur Bewegung des Kontaktträgers 4 vorgesehenen Magnetantrieb 6. Der Kontaktträger 4 weist Schaltstückträger 8 auf, auf dessen Enden bewegliche Kontaktstücke 9 sitzen. Auf einem festen Sockel 11 im Vorder- grund des Schaltgeräts 1 sind feste Kontaktstücke 12 angeordnet. Im Hintergrund, jedoch nicht eingezeichnet, befindet sich ein zu dem Sockel 11 identisch ausgestalteter weiterer Sockel mit weiteren festen Kontaktstücken. Die vorderen fes- ten Kontaktstücke 12 sowie die hinteren festen Kontaktstücke sind in einen zu schaltenden Starkstromkreis integriert.
Im dargestellten Zustand ist der Starkstromkreis geöffnet; die beweglichen Kontaktstücke 9 sind mit den festen Kon- taktstücken 12 nicht kontaktiert. Der Kontaktträger 4 ruht an dem Ausanschlag 14. Im geschlossenen Zustand kontaktieren die beweglichen Kontaktstücke 9 die im Vordergrund befindlichen festen Kontaktstücke 12 mit den nicht eingezeichneten festen hinteren Kontaktstücken, wodurch ein Starkstromkreis ge- schlössen wird. Die beweglichen Kontaktstücke 9 werden gewissermaßen als Brücke in den Starkstromkreis geschaltet.
Zum Antrieb des Kontaktträgers 4 weist der Magnetantrieb 6 elektromagnetische Schließspulen 16 sowie ein metallisches Joch 18 zum Schließen der Magnetfeldlinien auf. Wird ein Steuerstrom durch die Schließspulen 16 geleitet, so wird durch das entstehende Magnetfeld der Anker 20 und mit ihm der damit fest verbundene Kontaktträger 4 nach unten in Richtung auf die Schließspulen 16 hin gezogen. Dieser Bewegung des Kontaktträgers 4 wirken als Rückstellmittel an den Schaltstückträger 8 angeordnete mechanische Hauptkontaktfedern 22 sowie am Kontaktträger 4 direkt ansetzende mechanische Rückdruckfedern 23 entgegen. Der Übersichtlichkeit halber ist jeweils nur eine Hauptkontaktfeder 22 und eine Rückdruckfeder 23 gezeichnet. Bei Einschalten des Magnetantriebs 6 werden die Hauptkontaktfedern 22 gedehnt und die Rückdruckfedern 23 gestaucht, wobei die für den Öffnungsvorgang notwendige potentielle Feder-Energie gespeichert wird. Solange ein Steuerstrom durch die Schließspulen 16 fließt, ist der Anker 20 und damit der Kontaktträger 4 nach unten gezogen. Die beweglichen Kontaktstücke 9 und die festen Kon- taktstücke 12 sind elektrisch kontaktiert. Der Starkstromkreis ist geschlossen. Wird der Steuerstrom durch die Schließspulen 16 abgeschaltet, so baut sich das den Anker 20 haltende Magnetfeld ab und der Kontaktträger 4 beschleunigt aufgrund der in den Hauptkontaktfedern 22 und den Rückdruck- federn 23 gespeicherten potentiellen Energie in Richtung auf den Ausanschlag 14. Im Zuge dieser Bewegung wird der elektrische Kontakt zwischen den beweglichen Kontaktstücken 9 und den festen Kontaktstücken 12 geöffnet.
Zur Ansteuerung und Regelung des Magnetantriebs 6 ist eine Kontrolleinheit 25 vorgesehen, die einen Gleichrichter 27, einen Mikrocontroller 29 sowie eine Leistungsbaugruppe 30 um- fasst. Zur Leistungsaufnahme ist der Gleichrichter 27 an eine Wechselspannung angeschlossen. Über die Leistungsbaugruppe 30 wird der über die Schließspulen 16 fließende Steuerstrom ausgegeben. Über den Steuerstrom steuert die Kontrolleinheit 25 den Einschalt- und den Ausschaltvorgang des Schaltgeräts 1. Weiter ist der Mikrocontroller 29 mit einem Positionssensor 32 verbunden, der mittels eines Sensorgebers 33 die Position des Kontaktträgers 4 erfasst. Im Ausführungsbeispiel ist der Sensorgeber 33 an dem Kontaktträger 4 befestigt. Es ist aber ebenso gut möglich, als Sensorgeber auch eines der bewegten Teile, wie z.B. den Kontaktträger 4 oder den Anker 20, selbst zu verwenden. Der Positionssensor 32 ist als ein optischer Sensor ausgestaltet, der über auf dem Sensorgeber 33 angebrachte Markierungen die Position des Kontaktträgers 4 überwacht . Wird ausgehend von einer Einschaltposition des Schaltgeräts 1 mit eingeschaltetem Magnetantrieb 6 der über die Schließspulen 16 fließende Steuerstrom abgeschaltet, so beschleunigt der Kontaktträger 4 auf den Ausanschlag 14 zu. Der Mikrocont- roller 29 überwacht dabei mittels des Positionssensors 32 die Position des Kontaktträgers 4. Wird eine voreingestellte Position in unmittelbarer Nähe vor dem Ausanschlag 14 detek- tiert, so gibt die Kontrolleinheit 25 einen oder mehrere Stromimpulse auf die Schließspulen 16, wodurch der Kontakt- träger 4 abgebremst wird. Durch kontinuierliche Beobachtung der Bewegung des Kontaktträgers 4 wird dabei die Auftreffgeschwindigkeit des Kontaktträgers auf den Ausanschlag 14 auf einen festen, gegen Null gehenden Wert abgeregelt. Auf diese Weise werden sowohl der Geräuschpegel des Anschlags als auch die durch die Impulsübertragung auf den Ausanschlag 14 ausgehenden mechanischen Belastungen klein gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten. Die Lebensdauer des Schaltgeräts 1 ist gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten verlängert. Durch die Abre- gelung der Auftreffgeschwindigkeit auf den Ausanschlag 14 wird weiter der Ausschaltrückprallwert verbessert.
FIG 2 zeigt ein Schaltgerät 2, welches gegenüber dem in FIG 1 dargestellten Schaltgerät 1 zusätzlich seitlich des Magnetantriebs 6 angeordnete Permanentmagneten 35 aufweist. Die als Rückstellmittel eingesetzten Hauptkontaktfedern 22 und Rückdruckfedern 23 sind der Übersichtlichkeit halber nicht mehr eingezeichnet. Weiter ist ein fester magnetischer Rückschlussbügel 36 an den Permanentmagneten 35 angeordnet. Zusätzlich weist der Kontaktträger 4 mit den Permanentmagneten 35 wechselwirkende Magnetpolflächen 38 auf. Die Magnetpolflächen 38 und die Permanentmagnete 35 sind dabei derart ausgerichtet, dass zwischen ihnen eine repulsive Wechselwirkung entsteht. Der Sensorgeber 33 ist über den magnetischen Rückschlussbügel 36 hinaus verlängert.
Im eingeschalteten Zustand liegt der Anker 20 dem Magnetan- trieb 6 an. Die festen Kontaktstücke 12 sind mit den beweglichen Kontaktstücken 9 kontaktiert. Die Magnetpolflächen 38 liegen in geringem Abstand in der Nähe der Permanentmagneten 35. Wird der durch die Schließspulen 16 fließende Steuerstrom abgeschaltet, so beschleunigt der Kontaktträger 4 aufgrund der in den Hauptkontaktfedern 22 und den Rückdruckfedern 23 gespeicherten Energie auf den Ausanschlag 14 zu. Zusätzlich wird der Kontaktträger 4 nun noch durch die repulsive magnetische Wechselwirkung zwischen den Magnetpolflächen 38 und den Permanentmagneten 35 beschleunigt. Hierdurch wird die Öffnungsgeschwindigkeit der Kontakte gesteigert bzw. die Aus- schaltverzugszeit des Schaltgeräts 2 gegenüber dem Schaltgerät 1 weiter verringert.
Die durch die Permanentmagneten 35 erzielte zusätzliche Be- schleunigung des Kontaktträgers 4 in Richtung auf den Ausanschlag 14 mit der damit verbundenen Verringerung der Aus- schaltverzugszeit wäre am Ausanschlag mit erhöhten mechanischen Belastungen und einer Verschlechterung der Ausschaltrückprallwerte verbunden. Dies ist jedoch bei dem gezeigten Schaltgerät 2 nicht der Fall, da wie im Fall des Schaltgeräts 1 die Kontrolleinheit 25 mittels des Positionssensors 32 und des Sensorgebers 33 die Position des Kontaktträgers 4 überwacht und seine Geschwindigkeit zum Auftreffen auf den Ausanschlag 14 durch gezielte Ansteuerung der Schließspulen 16 auf einen eingestellten Wert herabregelt. Das gezeigte
Schaltgerät 2 weist somit gegenüber herkömmlichen Schaltgeräten nicht nur eine verbesserte Ausschaltverzugszeit sondern gleichermaßen auch verringerte Ausschaltrückprallwerte, eine geringere Schallbelastung und eine höhere Lebensdauer auf.
Bei dem in FIG 3 gezeigten Schaltgerät 3 sind die Permanent- magnete 35 durch um die magnetischen Rückschlussbügel 36 angeordnete elektromagnetische Öffnungsspulen 40 ersetzt. Die Öffnungsspulen 40 sind mit der Leistungsbaugruppe 30 der Kontrolleinheit 25 verbunden.
Die Konstruktion des Schaltgeräts 3 ermöglicht eine gesteuerte oder geregelte Beschleunigung des Ausschaltvorgangs durch Ansteuerung der Öffnungspulen 40 durch die Kontrolleinheit 25. Damit lässt sich eine weitere Erhöhung der Aus- schaltverzugszeit bzw. der Kontaktöffnungszeit erzielen. Gleichzeitig kann der Bewegungsablauf des Kontaktträgers 4 sanft abgebremst werden.
In FIG 4 sind für das Schaltgerät 3 in einem vereinfachten Diagramm - aufgetragen über der Zeit - der Stromverlauf 45 einer Schließspule 16, der Stromverlauf 47 einer Öffnungsspule 40 sowie der Geschwindigkeitsverlauf 49 des Kontaktträgers 4 während des Ausschaltvorgangs dargestellt.
Zu Beginn sind gemäß Abschnitt 50 für das Schaltgerät 3 die Kontakte geschlossen. An der Schließspule 16 liegt ein Steuerstrom an. Die Öffnungsspule 40 wird nicht angesteuert. Der Kontaktträger 4 ruht.
Zurzeit 51 wird der Steuerstrom der Schließspule 16 abge- schaltet. Gleichzeitig wird die Öffnungsspule 40 in Abschnitt 52 mit einem Steuerstrom beaufschlagt. Sowohl infolge mechanischer Rückstellmittel als auch durch das sich in der Öffnungsspule 40 einstellende Magnetfeld wird der Kontaktträger 4 auf den Ausanschlag 14 hin beschleunigt. Seine Geschwindigkeit nimmt zu. Die Ausschaltverzugszeit wird durch die zusätzliche Beschleunigung verkürzt. Um nicht zu hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, wird der Steuerstrom der Öffnungs- pulle 40 allmählich verringert. Bei Erreichen einer voreingestellten Geschwindigkeit wird der Steuerstrom der Öffnungsspule 40 abgeschaltet. Die durch die mechanischen Rückstellmittel wirkende Kraft auf den Kontaktträger 4 nimmt mit zunehmendem Abstand ab. Im gezeigten Beispiel reicht diese Kraft nach Abschalten des Steuerstroms der Öffnungsspule 40 nicht aus, um die erreichte Geschwindigkeit aufrecht zu halten. Die Geschwindigkeit des Kontaktträgers 4 verringert sich.
Zum Zeitpunkt 53 öffnen sich die Kontakte. Nach Öffnung der
Kontakte wird erneut ein Steuerstrom auf die Schließspulen 16 gegeben. Dieser führt zu einem Abbremsen der Bewegung des Kontaktträgers 4. Durch eine stetige Verringerung des Steuerstroms der Schließspule 16 in Abschnitt 54 wird die Geschwin- digkeit des Kontaktträgers 4 sanft verlangsamt.
Zum Zeitpunkt 55 trifft der Kontaktträger 4 fast ruhend auf den Ausanschlag 14. Im Abschnitt 56 ist das Schaltgerät 3 in offenem Zustand. Der Kontaktträger 4 ruht am Ausanschlag 14.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) mit einer Anzahl von festen Kontaktstücken (12), mit einem Magnetan- trieb (6) und mit einem vom Magnetantrieb (6) gegen
Rückstellmittel bewegbaren Kontaktträger (4), auf dem eine Anzahl von beweglichen Kontaktstücken (9) angeordnet ist, sowie mit einem Ausanschlag (14) für den Kontaktträger (4), gekennzeichnet durch einen Sensor (32) zur Erfassung der Position des Kontaktträgers (4) und eine mit dem Sensor (32) verbundene Kontrolleinheit (25), die den Magnetantrieb (6) während eines Ausschaltvorgangs zum Abbremsen des Kontaktträgers (4) vor dem Anschlag auf den Aus- anschlag (14) regelt und/oder steuert.
2. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetantrieb (6) eine elektromagnetische Schließspule (16) und einen Anker
(20) umfasst, wobei der Anker (20) mit dem Kontaktträger (4) verbunden ist.
3. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kontrolleinheit (25) auch die Einschalt- und Ausschaltstellung des Magnetantriebs (6) regel- und/oder steuerbar ist.
4. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmittel mecha- nische Rückstellmittel, insbesondere Rückstellfedern (22, 23), sind.
5. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Beschleunigung des Kontaktträgers (4) während des Ausschaltvorgangs in Richtung auf den Ausanschlag (14) vorgesehen sind.
6. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Beschleunigung ein Permanentmagnet (35) eingesetzt ist.
7. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Beschleunigung eine elektromagnetische Öffnungsspule (40) eingesetzt ist.
8. Elektromagnetisches Schaltgerät (1, 2, 3) nach Anspruch
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsspule (40) durch die Kontrolleinheit (25) Steuer- oder regelbar ist .
9. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen
Schaltgeräts (1, 2, 3) mit einer Anzahl von festen Kontaktstücken (12), mit einem Magnetantrieb (6) und mit einem vom Magnetantrieb (6) gegen Rückstellmittel bewegbaren Kontaktträger (4), auf dem eine Anzahl von beweglichen Kontaktstücken (9) angeordnet ist, sowie mit einem Ausanschlag (14) für den Kontaktträger (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Kontaktträgers (4) erfasst und der Magnetantrieb (6) derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass während eines Ausschaltvorgangs der Kontaktträger (4) vor dem Anschlag auf den Ausanschlag (14) abgebremst wird.
10. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräts (1, 2, 3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beschleunigungsmittel der Kontaktträger (4) während des Ausschaltvorgangs in Richtung auf den Ausanschlag (14) beschleunigt wird.
11. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräts (1, 2, 3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsmittel gesteuert und/oder geregelt werden.
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