WO2009135501A1

WO2009135501A1 - Schaltvorrichtung mit gasdichter schaltkammer

Info

Publication number: WO2009135501A1
Application number: PCT/EP2008/003629
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Feil; Jörg HASSEL
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Schaltvorrichtung (1) mit einer gasdichten Schaltkammer, in der ein beweglicher Kontakt zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises angeordnet ist. Im Innern der Schaltkammer mit den Wänden (6) ist eine magnetische Formgedächtnislegierung (4) zum Antrieb des beweglichen Kontakts (2) vorgesehen. Die Schaltvorrichtung (1) umfasst mindestens einen Aktor (12), der den Haltebetrieb der Schaltvorrichtung (1) bewirkt.

Description

Beschreibung

Schaltvorrichtung mit gasdichter Schaltkammer

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einer gasdichten Schaltkammer, in der ein beweglicher Kontakt zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises angeordnet ist.

Eine derartige Schaltvorrichtung ist bei Vakuumschaltgeräten bekannt. Der bewegliche Kontakt kann nur deshalb fest mit der Schaltkammer verbunden werden, weil diese selbst ihr Volumen ändert. Dies geschieht üblicherweise mithilfe eines Faltenbalges. Gibt man die feste Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt und der Schaltkammer auf, verbleibt das Problem die Durchführung des Kontakts in das Innere der Schaltkammer abzudichten, was ebenfalls den Einbau eines Faltenbalges erfordern würde .

Außerdem ist bekannt, dass bestimmte Formgedächtnislegierun- gen magnetsensitiv sind und bei Durchdringung mit einem Magnetfeld eine Längenänderung erfahren. Die bei der Längenänderung erzeugte Kraft kann grundsätzlich als Antriebskraft genutzt werden.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltvorrichtung der oben genannten Art vorzuschlagen, die keine beweglichen Teile erfordert, durch die die Bewegung des beweglichen Kontakts von außen in die Schaltkammer und umgekehrt übertragen werden muss.

Die Aufgabe wird durch eine Schaltvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei weist die Schaltvorrichtung eine innerhalb der Schaltkammer befindliche magnetische Formgedächtnislegierung auf, die zum Antrieb des beweglichen Kontakts dient.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 14 zu entnehmen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 2 außerhalb der Schaltkaπuner liegende Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Formgedächtnislegierung vorgesehen sind.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn gemäß Anspruch 3 als Mittel mindestens ein Aktor vorgesehen ist, der den Haltebetrieb der Schaltvorrichtung bewirkt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 4 der Aktor als Magnet ausgeführt ist, der nach Schließen des Stromkreises durch den beweglichen Kontakt die geschlossene Position des beweglichen Kontakts dauerhaft bewirkt. Hierdurch wird ermöglicht, den Stromverbrauch im Haltebetrieb gering zu hal- ten.

Ist der Magnet gemäß Anspruch 5 beweglich gelagert und zur Steuerung des die Formgedächtnislegierung durchdringenden Magnetfelds vorgesehen, ermöglicht dies auf einfache Weise durch Veränderung des Magnetfelds zwischen der EIN- und AUS-

Stellung der Schaltvorrichtung umzuschalten.

Ist der Magnet gemäß Anspruch 6 als Ferromagnet ausgeführt, lässt sich hiermit ein besonders starkes Magnetfeld in der Formgedächtnislegierung erzeugen.

Ist gemäß Anspruch 7 ein Antrieb vorgesehen, durch den die Lage des Magneten veränderbar ist, lässt sich hiermit die Um- schaltung von der EIN- in die AUS-Stellung der Schaltvorrich- tung auf komfortable Weise automatisch realisieren.

Außerdem ist es von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 8 eine Platte vorgesehen ist, die die Antriebskraft der Formgedächtnis- legierung an den beweglichen Kontakt weiterleitet, da bei entsprechender Ausführung der Platte eine gleichmäßige Druckverteilung mit geringem Druck über die Platte aufgrund der Antriebskraft der Formgedächtnislegierung erfolgt. Vorteilhafter Weise ist gemäß den Ansprüchen 10 und 11 zwischen dem beweglichen Kontakt und der Platte ein Bauteil vorgesehen, das eine kleine Wärmeleitzahl und eine geringe Strahlungsabsorption aufweist, was einen Wärmeschutz gegen in Wärme umgewandelte Schaltenergie bewirkt.

Ist gemäß Anspruch 12 der Magnet als Elektromagnet ausgeführt, der im Haltebetrieb direkt auf den beweglichen Kontakt wirkt, kann während des Haltebetriebs auf den Antrieb durch die Formgedächtnislegierung und damit der zur Erzeugung eines entsprechend hohen Magnetfeldes erforderliche hohe Stromverbrauch vermieden werden.

Weist die Schaltkammer gemäß Anspruch 13 mehrere Wände mit unterschiedlicher magnetischer Permeabilität auf, lässt sich hiermit eine gezielte Führung der Magnetfeldlinien und damit eine gute Durchdringung der Formgedächtnislegierung erreichten.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Schaltkammer zumindest an manchen Stellen mit niedrigem Wärmeleitungskoeffizienten ausgeführt ist, um somit Wärme von der Formgedächtnislegierung möglichst abzuhalten.

Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einer magnetfeldsensitiven Form- gedächtnislegierung in einer gasdichten Schaltkammer, FIG 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit gasdichter Schaltkammer in gegenüber FIG 1 verbesserter Form,

FIG 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalt- Vorrichtung nach FIG 1 in der AUS-Stellung mit einem beweglich gelagerten Magneten, FIG 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung nach FIG 1 in der EIN-Stellung mit einem beweglich gelagerten Magneten,

FIG 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalt- Vorrichtung nach FIG 1 mit einem Magnetantrieb für den Haltebetrieb und

FIG 6 eine Schaltung zur Erzeugung des Magnetfelds für die Ansteuerung der Formgedächtnislegierung zum Schließen der Schaltvorrichtung in Verbindung mit dem Einschalten des Magnetantriebs nach FIG 5.

In FIG 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 1 mit einer gasdichten Schaltkammer dargestellt, in der ein beweglicher Kontakt 2 und zum Teil zwei Festkontakte 3 zum Ein- und Ausschalten eines Stromkreises angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung 1 weist einen magnetfeldsensitiven Antrieb aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung 4 im Innern der Schaltkammer auf . Die Formgedächtnislegierung 4 übt bei Durchdringung durch ein Magnetfeld 10 eine Antriebskraft auf den beweglichen Kontakt 2 zum Schließen des Stromkreises aus. Die Schaltkammer umfasst mehrere Wände 6.

Der Antrieb wird in der Ruheposition mittels einer Feder 5, die an einer der Wände 6 der Schaltkammer abgestützt ist, mit einem Druck beaufschlagt, der die Funktion des Antriebs in zwei Richtungen sicherstellt. Zum optimalen Betrieb des magnetfeldsensitiven Antriebs wird mithilfe einer Platte 7 sichergestellt, dass die Formgedächtnislegierung 4 gleichmäßig mit geringem Druck beaufschlagt wird. Dies lässt sich durch die Platte 7 mit hohem Elastizitätsmodul erreichen, die die

Oberfläche der Formgedächtnislegierung 4 in Richtung der Kontakte 2,3 so weit technisch möglich abdeckt. Die Platte 7 ist zwischen der Feder 5 und der Formgedächtnislegierung 4 angeordnet und treibt über eine Feder 8 den beweglichen Kontakt 2 an.

Das steuernde Magnetfeld 10 in der Formgedächtnislegierung 4 wird mithilfe einer außerhalb der Schaltkammer liegenden technischen Vorrichtung 11 erzeugt. Durch das steuernde Magnetfeld 10 in der Formgedächtnislegierung 4 erfährt diese eine Längenausdehnung und bringt somit den beweglichen Kontakt 2 zum Schließen mit den Festkontakten 3. Dies erfolgt über die Feder 8, die die benötigte Kontaktkraft zum Führen des Stromes sicherstellt.

Um den Antrieb mit der magnetischen Formgedächtnislegierung 4 voll auszunutzen, muss das Magnetfeld diese möglichst homogen bei gleichzeitig hoher Feldstärke durchdringen. Dies kann durch geeignete Anordnung ferromagnetischer Bauteile zwischen der technischen Vorrichtung 11 zur Erzeugung der magnetischen Erregung und der magnetischen Formgedächtnislegierung 4 erreicht werden.

Die Wände 6 der Schaltkammer, die direkt an den Antrieb angrenzen, sollten eine möglichst hohe magnetische Permeabilität aufweisen, um möglichst viele der außen erzeugten Magnetfeldlinien einzufangen. Dagegen sollten die restlichen Wände 6 eine möglichst kleine Permeabilität aufweisen, um ein

Kurzschließen der Magnetfeldlinien innerhalb dieser Wände 6 und somit am Antrieb vorbei zu verhindern.

In FIG 2 ist eine gegenüber FIG 1 etwas verbesserte Ausfüh- rungsform dargestellt. Da die magnetische Formgedächtnislegierung 4 nur bis zu einer materialabhängigen kritischen Temperatur die Anforderungen erfüllt, die an den Schaltantrieb gestellt werden, sind Maßnahmen vorgesehen, um einer Erwärmung der magnetischen Formgedächtnislegierung 4 entgegenzu- wirken. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wände 6 an bestimmten Stellen 16 mit einem Material mit kleinem Wärmelei- tungskoeffizienten versehen werden. Hierdurch wird die direkte Wärmeleitung vom Festkontakt 3 zur Formgedächtnislegierung 4 und der indirekte Wärmeeintrag über die Wände 6 der Schalt- kammer unterdrückt. Außerdem wird durch das Einbringen eines schlecht wärmeleitenden Bauteils 9 zwischen dem beweglichen Kontakt 2 und der magnetischen Formgedächtnislegierung 4 die Wärmezufuhr minimiert. Zusätzlich kann ein Strahlungsschild in der direkten Linie zwischen den Kontakten 2,3 und der magnetischen Formgedächt- nislegierung 4 eingebaut werden, das den Wärmeübertrag über das Vakuum in der Schaltkammer durch Strahlung verringert.

Zur Erzeugung des Magnetfelds kann außerhalb der Schaltkammer z.B. eine Spule mit einem Eisenkreis angewendet werden.

In dem folgenden Ausführungsbeispiel nach FIG 3 und 4 wird ein außerhalb der Schaltkammer angeordneter Aktor 12 , hier ein beweglich gelagerter, ferromagnetischer Permanentmagnet eingesetzt, dessen Lage durch einen Antrieb 17 veränderbar ist. In der KontaktStellung AUS gemäß FIG 3 befindet sich der Permanentmagnet in der Lage, in der nur ein Bruchteil des Magnetfeldes des Permanentmagneten die Formgedächtnislegierung 4 durchdringt. Zum Einschalten, das heißt Schließen der Schaltvorrichtung, wird mithilfe des Antriebs 17 eine Rotation des Permanentmagneten um 90° veranlasst. Dadurch wird die Formgedächtnislegierung 4 mit dem gesamten Magnetfeld des

Permanentmagneten durchflutet und bringt den beweglichen Kontakt 2 zum Schließen mit den Festkontakten 3 gemäß FIG 3. Der bewegliche Kontakt 2 fällt wieder ab, wenn der Permanentmagnet aktiv durch den rotatorischen Antrieb 17 in die Stellung AUS gebracht wird oder mithilfe eines Kraftspeichers, der bei Abfallen der Steuerspannung den Magneten in Stellung AUS bringt. In beiden Fällen liegt wieder die in FIG 3 gezeigte Kontaktstellung vor.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß FIG 5 wird der bewegliche Kontakt 2 von einem verhältnismäßig schwach dimensionierten konventionell Magnetantrieb als Aktor 12 eingefangen, der als Haltemagnet dient und den beweglichen Kontakt 2 in Stellung EIN hält, solange der Steuerstrom fließt. Die Wand 6 ist im Bereich dieses Haltemagneten mit ferromagneti- schen Eigenschaften ausgelegt, so dass dieser über ein äußeres Magnetfeld gesteuert werden kann. Nach dem ordnungsgemäßen Anziehen des Magnetantriebs wird während des Dauerbetriebs, das heißt im Haltebetrieb, die Energie für die Erzeugung eines Magnetfeldes 10 zur Ansteuerung der Formgedächtnislegierung 4 nicht weiter benötigt. Die technische Vorrichtung 11 kann daher beispielsweise durch einen vom Haltemagneten elektromagnetisch gesteuerten Schalter von seiner Energieversorgung wie folgt beschrieben getrennt werden. Danach kann zur Erzeugung des Magnetfelds 10 für die Ansteuerung der Formgedächtnislegierung 4 die Schaltung gemäß FIG 6 dienen. Hierbei wird eine konventionelle Spule mit Eisenkreis als technische Vorrichtung 11 verwendet, die über einen Schalter 13 strommäßig versorgt wird. Der Zeitpunkt des Abschaltens dieser Spule wird mithilfe des Schalters 13 noch vor dem Ende des Schließvorgangs gelegt und mithilfe einer Freilaufdiode 14 der von der entstehenden Induktionsspannung getriebene hohe Strom benutzt, um das die Formgedächtnislegierung 4 steuernde Magnetfeld 10 in die Größenordnung zu bringen, welche ein endgültiges Schließen der Kontakte 2,3 gewährleistet. Der Schalter 13 wird durch die Längenausdeh- nung der Formgedächtnislegierung 4 in einem Magnetfeld, das noch groß genug ist, um die Kontakte 2,3 zum Schließen zu bringen, geöffnet. Erst das sich durch dieses Abschalten ergebende Induktionsfeld ist groß genug, um die Kontakte 2,3 zum Schließen zu bringen. Diese werden schließlich durch den als Haltemagneten ausgeführten Aktor 12 dauerhaft in Stellung EIN gehalten. Der konventionelle Haltemagnet wird mit Hilfe des Schalters 15 eingeschaltet, der selbst über die Längenausdehnung der Formgedächtnislegierung 4 geschaltet wird.

Die in den Ausführungsbeispielen erläuterten Anordnungen ermöglichen es, die Baugröße eines Schützantriebes zu verkleinern. Durch die relativ hohe mechanische Vorspannung ist es nicht mehr nötig, einen Großteil des Anzugsweges für einen Sicherheitsabstand zur Gewährleistung von Schwing- und Schockfestigkeit zu reservieren, wie dies in konventionellen Relais und Schützen derzeit der Fall ist. Dies hält das Bauvolumen der Formgedächtnislegierung 4 klein. Ein Quader einer Formgedächtnislegierung 4 mit 2 cm² Grundfläche und 8 cm Höhe reicht mit guter Sicherheit aus, um einen Schaltweg von 4 mm bei 100 N Kraftbeaufschlagung zu gewährleisten. Die große Kraft der Formgedächtnislegierung ermöglicht es, die Stellwege über Hebel weiter zu vergrößern. Die in den Ausführungsbeispielen aufgezeigten technischen Lösungen für die Erzeugung des steuernden Magnetfelds haben ebenfalls bei vergleichbarer Leistung geringere Abmessungen als ein konventioneller Reluktanzantrieb.

Claims

Patentansprüche

1. Schaltvorrichtung (1) mit einer gasdichten Schaltkammer, in der ein beweglicher Kontakt (2) zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (1) eine innerhalb der Schaltkammer befindliche magnetische Formgedächtnislegierung (4) aufweist, die zum Antrieb des beweglichen Kontakts (2) dient.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Schaltkammer liegende Mittel (12) zur Erzeugung eines Magnetfelds (10) in der Formgedächtnislegierung (4) vorgesehen sind.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (12) mindestens ein Aktor vorgesehen ist, der den Haltebetrieb der Schaltvorrichtung (1) bewirkt .

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als Magnet ausgeführt ist, der nach Schließen des Stromkreises durch den beweglichen Kontakt (2) die geschlossene Position des beweglichen Kontakts (2) dauerhaft bewirkt .

5. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet beweglich gelagert ist und zur Steuerung des die Formgedächtnislegierung (4) durchdringenden Magnetfelds (10) vorgesehen ist.

6. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als Ferromagnet ausgeführt ist.

7. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb (17) vorgesehen ist, durch den die Lage des Magneten veränderbar ist.

8. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte (7) vorgesehen ist, die die Antriebskraft der Formgedächtnislegierung (4) an den beweglichen Kontakt (2) weiterleitet.

9. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (7) einen hohen Elastizitätsmodul aufweist.

10. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem beweglichen Kontakt (2) und der Platte (7) ein Bauteil (9) vorgesehen ist, das eine kleine Wärmeleitzahl aufweist.

11. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (9) eine geringe Strahlungsabsorption aufweist.

12. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet als Elektromagnet

(12) ausgeführt ist, der im Haltebetrieb direkt auf den beweglichen Kontakt (2) wirkt.

13. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer mehrere Wände mit unterschiedlicher magnetischer Permeabilität aufweist.

14. Schaltvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkammer zumindest an manchen Stellen (16) mit niedrigem Wärmeleitungskoeffizienten ausgeführt ist.