WO2012041643A1 - Resonanter magnetaktor - Google Patents

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WO2012041643A1
WO2012041643A1 PCT/EP2011/065273 EP2011065273W WO2012041643A1 WO 2012041643 A1 WO2012041643 A1 WO 2012041643A1 EP 2011065273 W EP2011065273 W EP 2011065273W WO 2012041643 A1 WO2012041643 A1 WO 2012041643A1
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WO
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magnetic
armature
mechanical
force
unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/065273
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English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Bachmaier
Gerit Ebelsberger
Andreas GÖDECKE
Michael HÖGE
Christian Tump
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2012041643A1 publication Critical patent/WO2012041643A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/22—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H3/28—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electromagnet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures
    • H01F7/1607—Armatures entering the winding
    • H01F7/1615—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6662—Operating arrangements using bistable electromagnetic actuators, e.g. linear polarised electromagnetic actuators

Definitions

  • the present invention relates to a solenoid actuator for the actuation of switches, in particular circuit breakers.
  • the device according to the invention is a magneto-mechanical actuator for a switching unit for actuating at least one switch.
  • This includes a magnetic actuator, whereby the at least one anchor.
  • the armature comprises at least one magnetic unit and can be magnetically activated by means of it.
  • the device further comprises at least one mechanical energy store, wherein the magnetic actuator and the mechanical energy storage are arranged, and the armature is connected to the mechanical energy storage, that with the mechanical energy storage, a mechanical force on the anchor is exercisable.
  • the inventive device has the advantage of high switching speeds to Errei ⁇ surfaces, and thus for the actuation of load switch disconnector tern, in which a circuit is provided under load is suitable.
  • the high switching speed has the advantage that the switching path can be overcome quickly and thus the duration of the switching operation is reduced. This reduces damage to the switch electrodes, which is caused by the formation of arcs during a switching operation under load.
  • switching speeds of more than 1 m / s are achieved by the device according to the invention. It can even be achieved by the device according to the invention switching speeds of more than 10 m / s.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the magnetic unit is Aktu réelles kepts ⁇ taltet to exercise for a Aktu réellesvorgang in a predeterminable time interval a magnetic Aktu réelleskraft on the armature. Furthermore, the magnetic unit wass ⁇ taltet to exert in a first holding position, a magnetic holding force on the armature ⁇ .
  • the mechanical Energyspei ⁇ cher is designed to exert a mechanical force on the armature in a first Garpo ⁇ sition which is opposite in direction to the magnetic holding force and amount ⁇ moderately smaller than the magnetic holding force, so that in case of a Aktuleitersvorgangs the sum of the mechanical force of the mechanical energy storage and from the magneti ⁇ actuation force of the magnetic Aktu michs unit in terms of magnitude greater than the magnetic holding force of the magnetic unit and in a second holding position, the mechanical force of the mechanical energy storage on the Anchor approximately equal to zero or at least negligible compared to the other forces acting.
  • a second mechanical energy store is designed to exert a second mechanical force on the armature in the second holding position, which directionally opposes the first mechanical force of the first mechanical energy store in the first stop position, and thus in turn the second magnetic holding force in the second Holding position is opposite, but amount is less ⁇ than the second magnetic holding force in the second holding position.
  • the device comprises a magnetic actuator and at least one housing with a magnetic actuator unit.
  • the solenoid actuator is preferably bistable sures ⁇ taltet such that the armature has at least one magnetic unit, and configured at least a first and to take a second holding position, by the magnetic unit in the retaining positions, a magnetic holding force can be exerted on the armature, which holding the armature in contact with the housing.
  • the magnetic actuation unit serves to overcome the holding force and, together with the mechanical energy store, moves the armature from the first to the second holding position. For this purpose, an actuation magnetic field is generated by the magnetic actuation unit. testifies that acts on the magnetic unit of the armature in the direction of the next stop position to be taken.
  • the mechanical energy store comprises a spring.
  • the magnetic Aktu réelles unit may for example be an electromagnetic ⁇ specific unit, in particular a coil.
  • the magnetic unit may for example be a permanent magnet.
  • the energy storage device is configured to exert in the first stop position, a force on the armature, which is directionally counteracts the magnetic holding force and magnitude klei ⁇ ner as the magnetic holding force, so that in case of a Aktu réellesvorgangs the sum of the force of the mechanical energy storage, and from the electromagnetic force of an electromagnetic unit, the magnetic holding power of
  • Permanent magnet is overcome, in a position of the armature during a Aktu réellesvorgangs no force is exerted on the armature, and in a second holding position a force is exerted on the armature, the direction opposite to the force in the first holding position, so that in turn counteracts the magnetic holding force in the second holding position, but is smaller in magnitude than the magnetic holding force in the second holding position.
  • Power amount and direction of the electromagnetic unit are in particular on the energization, i. Current direction and current, the coil variable.
  • the device is designed as a vibratory system, wherein the device comprises a housing which causes a restriction ⁇ kung the movement of the armature between the holding positions in the housing, wherein the dimensions of the housing a maximum amplitude A of the armature movement is set and having a vibrator of the mass M, wherein the vibrator GR ilias the armature and the magnetic unit, and wherein the energy storage device is characterized by a defined Proportiona ⁇ formality constant k, and wherein the self- ⁇ frequency ⁇ of the oscillatory system indirectly propor- is equal to the square root of the mass M of the vibrator and directly proportional to the square root of the proportionality constant k.
  • the device comprises a housing which causes a restriction ⁇ kung the movement of the armature between the holding positions in the housing, wherein the dimensions of the housing a maximum amplitude A of the armature movement is set and having a vibrator of the mass M, wherein the vibrator GR ilias the armature and the magnetic
  • Vibration period of the system which is inversely proportional ⁇ , therefore inversely proportional to the discardsge ⁇ speed v of the armature and directly proportional to the Maxi ⁇ malamplitude A.
  • the average velocity v of the armature is in particular equal to the switching speed of the switch.
  • Such a configuration has the advantage that the switching speed can be set accurately by a suitable design of the mechanical Energyspei ⁇ chers. If the second stop position lies in or near the reversal point of the oscillation, the armature slows down its speed accordingly, whereby in particular the deceleration acceleration and thus the shock load of the mechanism can be significantly reduced, which enables a longer service life with less expensive components.
  • the device comprises a magnetic actuator. Furthermore, at least one capacitor and at least one magnetic actuation unit are included.
  • the magnetic unit is an electromagnetic unit, in particular a coil.
  • Wei ⁇ direct is comprises an electronics unit, the electronics unit is configured to charge the capacitor by means of electrical ⁇ schem current which is inducible in the magnetic Aktu réelles unit by the movement of the armature and the magnetic unit connected to the armature.
  • Insbesonde ⁇ re is the magnetic unit is a permanent magnet.
  • the capacitor designed for buffer effect, as an electrical energy storage.
  • This refinement has the advantage that the current induced by the armature movement in the coils can be stored and made available again in the same or in the next movement process.
  • the mechanical energy storage and the capacitor can be coupled as electrical energy storage. This offers in particular the further advantage that Friction losses and energy losses can be compensated by Wirbelstromdämp ⁇ tion.
  • the device having an anchor is equipped kitchens ⁇ tet having a rod-shaped element and equipped with a Ge ⁇ housing having at least one guide passage for the rod-shaped element of the anchor, and the at ⁇ ker is within the housing by means of the rod-shaped ele ⁇ management feasible.
  • This expedient embodiment of the invention has the advantage that the device may have a compact design and on the rod-shaped element outside the device a connection point for the
  • one or more vacuum interrupters can be connected via the rod-shaped unit.
  • the vacuum switch tubes can ⁇ or medium-voltage switchgear or power switch, in particular load-break switch, via appropriate power transmission devices ⁇ be connected.
  • Suitable power transmission devices may be levers or shafts.
  • a switching arrangement of the device according to the invention or an advantageous embodiment thereof with a switching unit has meh ⁇ rere circuit breaker.
  • the switching unit may be arranged with the magnetic actuator and the mechanical energy storage that it is connected to the armature.
  • ⁇ sondere the switching unit and the mechanical energy storage ⁇ are mounted on opposing sides of the solenoid actuator.
  • the apparatus may be designed from ⁇
  • the mechanical energy store is mounted on one side of the solenoid actuator
  • the switching unit is mounted on the ge ⁇ genüber side of the solenoid actuator.
  • the armature in the form of the rod-shaped element can thus be guided through the mechanical energy store, the magnetic actuator and the switching unit.
  • the springs in the vacuum interrupters or circuit breakers can thus serve as the second mechanical energy store in total.
  • the first mechanical Energy storage realized in the form of a compression spring.
  • the mechanical energy storage may be a gas pressure accumulator, which converts kinetic energy into potential energy by compression of a gas column.
  • the mechanical energy store may also include leaf springs or disc springs.
  • the mechanical energy storage with torsion springs, z. B. on a lever be realized.
  • Another alternative is torsion bar springs, elastomer springs or Evolutfedern.
  • the mechanical energy storage can also include ring springs.
  • the device comprises an actuating device for manual opening of the switch to be actuated.
  • the actuating device may, for example, itself comprise a mechanical energy store.
  • the mechanical energy storage may be a spring accumulator.
  • This can be designed so that an emergency opening by manual operation is possible.
  • the manual opening actuator may thus comprise, for example, a lever.
  • the actuating device is expediently designed such that, despite the lacking activation force by the magnetic actuation unit, the magnetic actuator merely opens the switch by virtue of the mechanical energy in the mechanical energy store, i. For example, performs a full half-wave and snaps back in the state of power disconnection of the switch.
  • a device serves to actuate at least one switch and comprises at least one actuation process, a first and a second holding state.
  • the actuation process includes the movement of the
  • Anchor with the magnetic unit.
  • a magnetic holding force is exerted on the armature.
  • a mechanical Exercised force counteracts the direction of the magnetic holding force ⁇ and in terms of magnitude smaller than the magneti ⁇ cal holding force.
  • a mechanical force is exerted on the armature by the mechanical force of the first holding state directionally entge ⁇ counteracts, so that the turn directionally counteracts the magneti ⁇ rule holding force of the second hold state, depending ⁇ but smaller in absolute value than the magnetic Holding force of the second holding state is.
  • a magnetic actuation force is exerted on the armature in a predefinable time interval, so that the sum of the mechanical force and the magnetic actuation force is greater in magnitude than the magnetic holding force and thus accelerates the armature.
  • the additional acceleration of the actuator with the additional mechanical energy storage has the advantage of greatly accelerated switching operations made possible ⁇ union.
  • an electrode erosion of the switching electrodes can be avoided, which resulted, for example, in previous circuit breakers in that at too low switching speed on short distances between the Wegelekt ⁇ roden arcs are formed, which damage the Elektrodenmate ⁇ rial.
  • the costs can be reduced in terms of maintenance.
  • the use of the device for actuating at least one switch comprises an actuation process which comprises the movement of the armature with the magnetic unit, wherein the movement fulfills a vibration equation with eigenfrequency ⁇ . That is, the movement of the armature is provided with a sliding movement ⁇ monitoring, in particular an oscillation equation writable.
  • the natural frequency ⁇ is characteristic of the oscillating system.
  • the natural frequency ⁇ meet the following relationship in particular: the natural frequency ⁇ is inversely proportional to the maximum amplitude A of the vibrator, wherein the Maximalamp ⁇ litude A by the dimensions of the housing and the consequent restriction of movement of the armature within the Housing is set.
  • the natural frequency ⁇ and the maximum amplitude A determine the switching speed.
  • the average speed of the armature v is equal to the switching speed of the switching unit.
  • the device is for example designed such that currency ⁇ rend a Aktu réellesvorganges an oscillatory system is present, wherein the armature mass is the vibrator, and the mechanical energy store, which is in particular a spring, as well as the magnetic system from the first and magneti ⁇ rule unit, in particular an electromagnet and a permanent magnet, the exciter of the mechanical vibration system represent.
  • the mechanical Ener ⁇ gie afternoon can also be constructed from a plurality of springs.
  • v is the average speed of the armature, which in turn is proportional to the desired speed Maximalge ⁇ v max corresponding to the formula
  • A is the amplitude of the vibration, ie, for example, the maximum deflection of the armature within the housing.
  • the amplitude A can thus be, for example, half the distance between the first and second bottom plate of the housing.
  • the natural frequency ⁇ may be fixed for example on the proportio ⁇ n Rundskonstante k of the mechanical energy accumulator and the mass M of the armature according to the following equation:
  • the proportionality constant k of the mechanical energy ⁇ memory is, for example, the spring constant of the spring or the spring system of the energy storage.
  • the mass M is for example the mass of the armature or whole of the moving ⁇ th material, so all masses that move in conjunction with the anchor.
  • the use of the device comprises a Aktu réellesvor- gang in which the armature is moved with the magnetic unit, and the movement meets a vibration equation with the natural frequency ⁇ , wherein the natural frequency ⁇ of the oscillatory system is indirectly proportional to the square ⁇ root of the mass M of the oscillator and is directly proportional to the square root of the proportionality constant k, and in addition that half the oscillation period of Sys ⁇ tems, which is inversely proportional to ⁇ , therefore inversely proportional to the average velocity v of the armature and directly proportional to the maximum amplitude A. is, in ⁇ particular equal to the switching speed of the switch. Via the movement of the armature, the speed v is also, for example, equal to the switching speed of the switch.
  • a further advantageous embodiment of the invention is a use of the device for actuation of at least one switch, wherein the actuation process, the movement of the armature with the magnetic unit, which in particular a Per- Manentmagnet is, relative to the magnetic Aktu réelles- unit, which is in particular a coil comprises.
  • the width ⁇ ren may include the induction of an electric current in the magnetic Aktu réelles unit and charging of a capacitor as well as the storage of electrical energy of the Aktu réellesvorgang.
  • the movement of the magnetic unit causes relative to the magnetic unit Aktuianss- induction of electric current in the magneti ⁇ rule Aktutechniks unit.
  • the induced electric current can charge the capacitor, wherein the capacitor can serve as an electrical energy storage for the buffer effect.
  • a capacitor or a plurality of capacitors can hold electric power that can be used for buffering the Ankerbe ⁇ movement.
  • an attenuation by friction and / or eddy currents can be compensated.
  • one or more capacitors may be coupled to the mechanical energy storage such that there is an electromechanical oscillation system.
  • the current induced in the coils from the movement of the armature is stored and made available to the armature in the same or next movement process.
  • the use of the device includes storing mechanical energy in the mechanical energy storage and storing electrical energy into the capacitor, the two storage processes being coupled to an electro-mechanical vibration system.
  • the inventive method is used for actuation Wenig ⁇ least a switch, wherein a mechanical ⁇ African force acts in a retaining state on a magnetic aktuierbaren anchor, which is directionally counteracts a magnetic holding force on the at ⁇ ker and magnitude smaller than the magneti ⁇ specific retaining force, and for a Aktu réellesvorgang an AK is generated tu réellesmagnetfeld, the directionally counteracts the magnetic holding ⁇ force on the armature, so that the sum of the mechanical strength and from the magnetic AK- amounting is greater than the magnetic holding force and thus accelerates the anchor.
  • the use of an additional mechanical force has the advantage that the required electrical energy for actuation can be minimized.
  • the Aktutechnikskraft only energy losses, z. B. due to mechanical friction and / or damping by eddy currents compensate.
  • the method is characterized in that in a first hold status, the mechanical force acting on an armature, the rich ⁇ tung moderately counteracts the magnetic holding force and be ⁇ is supporting moderately smaller than the magnetic holding force, so that for an actuation process, the sum of the mechanical force and the magnetic Aktu istskraft be ⁇ tragically larger than the magnetic holding force and so ⁇ accelerated with the anchor, during an actuation process, the mechanical force on the armature a zero point runs through ⁇ to in a second holding state ⁇ affect the mechanical strength in the first holding state directionally
  • the mechanical strength in the second Garzu ⁇ was again the magnetic retaining force in the second hold state directionally counteracts but betragsmä ⁇ SSIG smaller than the magnetic retaining force in the second Garzusta nd is.
  • a single mechanical energy storage which can receive by both directions of movement of the armature energy and in both directions of the armature movement can exert a force on the anchor.
  • a mechanical energy store comprises a compression spring, which is prestressed in the extended position in the first holding position or the first holding state.
  • the spring is in a compressed form.
  • a further embodiment can be provided with two mechanical energy stores, which are for example mounted on both sides of the magnetic actuator.
  • the first mechanical energy store is charged for a first holding position or a first holding state and the second energy store is discharged, during which the first energy store discharges during an actuation process and the second energy store is charged.
  • the energy storage springs such as leaf springs, disc springs, torsion springs, torsion bars, elastomer springs, Evolutfedern or ring springs, wherein an energy storage can be composed of a spring or from several springs. Charging and discharging the mechanical energy storage thus correspond to the stretching or compression and expansion of springs.
  • an embodiment of the mechanical energy storage as a gas pressure accumulator is possible.
  • the second mechanical energy store may be in the form of the switching unit.
  • the springs on the switching unit z.
  • the mechanical energy storage As the springs in the vacuum interrupters or the springs in the circuit breakers, the mechanical energy storage.
  • the proportionality constant of ers ⁇ th energy storage can then be advantageously adapted to the proportionality constant of the second mechanical energy storage, which is in the form of the switching unit.
  • a further advantageous embodiment of the invention is a method, wherein the Aktu istsvorgang comprises a movement of the armature with the magnetic unit, which satisfies a vibra ⁇ tion equation with the natural frequency ⁇ .
  • the natural frequency ⁇ of the oscillatory system is indirectly proportional to the square root of the mass M of the oscillator and is directly proportional to the square root of the proportionality constant k, and additionally that is half
  • Vibration period of the system which is inversely proportional ⁇ , therefore inversely proportional to theönsge ⁇ speed v of the armature and directly proportional to the maxi malamplitude A is, which is in particular equal to the Wegge ⁇ speed of the switch.
  • the natural frequency ⁇ satisfies the following equation: what a desired average Heidelberggeschwindig ⁇ ness can be adjusted v.
  • the switching speed or the Aktu ists Republic ⁇ depends on the mass M of the armature and of the constant of proportionality k of the mechanical energy store.
  • the Maximalampli ⁇ tude A can be adjusted via the housing dimensions.
  • the housing may expediently be designed in several parts, wherein at least one housing wall, a first Bodenplat ⁇ te and a second bottom plate are included.
  • the housing is designed as a soft magnetic yoke.
  • a first and a second magnetic unit are contained in the housing wall, in particular actuation coils.
  • the magnetic units may in particular be made of copper wire.
  • the housing wall may be a cylinder.
  • the arrangement of the armature in the housing can for example be such that it is in the first holding position in contact with the first bottom plate of the housing and in the second holding position in contact with the second bottom plate of the housing.
  • the shape of the housing and the armature are matched.
  • the anchor is cylindrical.
  • the magnetic unit on the armature is a permanent magnet. This can also be designed in turn cylindrical.
  • two permanent magnets can be applied to the end faces of the armature.
  • the permanent magnets can for example be mounted on äuße ⁇ ren housing. For example, they can be attached to the floorboards.
  • the bistable solenoid actuator consisting of an armature and Minim ⁇ least a force applied to the armature magnetic unit.
  • the magnetic unit may be for example a Permanentmag ⁇ net. Alternatively, a plurality of permanent magnets can be applied to the armature.
  • the bistable magnetic actuator includes a housing surrounding the armature. Conveniently, the housing is madestal ⁇ tet as a soft magnetic yoke, which closes the magnetic circuit. ⁇ particular the housing holds at least one magnetic unit which serves for actuation of the armature. This magnetic unit is, for example, an actuation coil. Alternatively, a plurality of actuation coils may be included in the housing.
  • two actuation coils are included for the two holding positions of the armature in the housing.
  • the coils are made of copper wire.
  • the anchor is moved along an axis in the housing.
  • the permanent magnets on the armature may be mounted radially on the armature or alternatively on the end faces of the armature.
  • the magnetization direction of the permanent magnets must be adapted to their attachment.
  • axially magnetized permanent magnets are applied to the end faces of the armature.
  • the end faces of the anchor are the surfaces that rest against the bottom plates in the holding positions.
  • the anchor may be configured, for example cuboid.
  • the anchor can be hollow.
  • the armature can be designed, for example, cylindrical.
  • the anchor shape of the housing form is ⁇ fits.
  • an exemplary From guide will form only one magnetic unit for the actuation, that is, for example, a Aktu istsspule used, in which case the yoke parts of the Ge ⁇ reheatuses be carried out asymmetrically to adjust the magnetic circuit to the altered adhesion forces.
  • the mechanical energy store is preferably herein that in a holding position of the armature, the mechanical force does not exceed the magnetic holding force.
  • the magnetic ⁇ -Nazi units Aktu michsspulen used for actuation For the triggering of a switching operation, the Aktu michsspulen be acted upon during a de ⁇ finite time interval with electricity. This time ⁇ interval is preferably a few milliseconds. The time interval can be be ⁇ limits, for example to a maximum of 30 ms.
  • the current in the coils creates a magnetic field. The direction of the magnetic field is dependent on the current ⁇ direction.
  • a magnetic actuation force acts on the armature due to the generated magnetic field.
  • This mechanical energy storage is ⁇ example, a spring that is present tense in the initial state. The stored potential energy can then be converted into kinetic energy of the armature and kinetic energy of the moving parts of the switching unit. After detachment of the anchor from the bottom plate, the Mag ⁇ net structure take on the anchor strong, not linearly. So is greatly accelerated at ⁇ play after the initial overcome the magnetic holding power of the anchor.
  • mechanical friction losses and / or a damping by means of eddy currents can be compensated for by a magnetic unit, as applied in the housing insbeson ⁇ particular a second Aktu istsspule with electricity, the magnetic field generated thereby supports the holding force of the magnetic assembly to the anchor and so accelerates the armature when approaching the opposite bottom plate of the Ge ⁇ housing in its movement.
  • the movement of the armature is slowed down, for example, by the force of a second mechanical energy store.
  • The- may in turn contain or be a spring.
  • the second mechanical energy storage in the form of the switching unit, wherein the springs form the mechanical energy storage at the interrupters.
  • the kinetic energy can be put back to ⁇ into potential energy.
  • the engagement of the armature in the second holding position can in turn happen due to magnetic holding forces.
  • the end face of the anchor is then in contact with the second bottom plate of the housing. In the mechanical energy storage again a starting point is reached by mechanical energy is kept.
  • Figure 1 shows a cross section of an exemplary embodiment of the device with the magnetic actuator and a mechanical energy storage.
  • FIG. 2 shows a cross section of an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a cross section of the embodiment of the invention as in FIG. 2 with the armature during the activation process.
  • Figure 4 shows a cross-section of the imple mentation of the invention as in Figure 2 with the armature in the second holding position.
  • the magneto-mechanical actuator comprises a mechanical Energyspei ⁇ cher 20 with a spring 26, an electromagnetic unit 18a / b in the form of a coil and a permanent magnet 16.
  • the mechanical energy storage 20 exerts in the first holding position, a mechanical spring Force F mec on the armature 17, which counteracts the direction of the magnetic holding force F ⁇ and is smaller in magnitude than the magnetic holding force F ⁇ , so that in the case of Aktuleitersvorgangs the sum of the spring force F mec and of an electromagnetic Aktuie- financing power the magnetic holding force F ⁇ of the permanent ⁇ magnet is overcome 16, during a Aktuleitersvorgangs no force is exerted on the armature 17 in a position of the armature 17, and in a second holding position
  • Spring force F mec , 2 is exerted on the armature 17, the direction of the Fe ⁇ der-force F mec in the first holding position ent ⁇ counteracted, so that in turn counteracts the magnetic holding force
  • the figures are schematic and not to scale ⁇ en pictures.
  • the apparatus a solenoid actuator 10, and a mechanical energy store 20 are shown.
  • the mechanical energy store 20 is attached laterally to the magnetic actuator 10.
  • the solenoid actuator is symmetrical and comprises a housing, which is composed of a cylindrical Ge ⁇ housing wall 12, a first base plate and second base plate IIa IIb.
  • the housing is made of a soft magnetic material.
  • the floor panels 11a / b thus constitute the side walls of the housing 12.
  • the floor panels 11a / b have guide passages for the rod 14.
  • the An ⁇ ker (17) can be guided within the housing (lla / b, 12) by means of the rod (14).
  • the armature 17 in turn is cylindrical. Radially around the armature 17 around a turn cylindrical permanent magnet 16 is mounted.
  • the permanent magnet 16 is radially magnetized.
  • two actuation coils 18a / b are included in the housing wall 12. These are mounted so that the An ⁇ ker 17 is in a holding position with the voltage applied to the first bottom plate IIa end face within the actuation coil 18a.
  • the switching unit can be attached to the rod 14, z. B. via a suitable power transmission device, such. B. a lever.
  • the rod 14 exits the housing 12 and enters the mechanical energy store 20.
  • the rod 14 is connected to the compression spring 26.
  • the mechanical Energyspei- 20 further has a plate 24 which is fixed to the
  • the compression spring 26 is the mechanical energy store 20.
  • the compression spring 26 is in a tensioned state, i. in a first holding position.
  • the armature 17 is made cylindrical and applied radially magnetized permanent magnets 16 thereon.
  • the housing surrounding the armature 17 is also designed to be cylindrical.
  • the housing preferably has two Bo ⁇ denplatten lla / b made of a soft magnetic material, which ensure the end of the magnetic circuit, as long as the armature 17 is in contact with the bottom plates lla / b.
  • the armature 17 is in contact with one of the bottom plates 11a / b as long as the forces acting on the armature 17 keep it in this position.
  • FIG. 2 shows the magnetic actuator 10 with the armature 17 in a first holding position in a simplified representation.
  • the armature 17 is in contact with the first bottom plate IIa.
  • the magnetic ⁇ diagram holding force of the permanent magnet 16 on the armature 17 acts in the direction of the bottom plate IIa.
  • the armature 17 has a mass M.
  • the mechanical force F mec of the mechanical energy ⁇ memory counteracts the magnetic holding force F ⁇ , but is less in amount than the magnetic holding force Fm H and therefore can not in the holding position the armature 17 of the bottom plate IIa peel off. To detach the armature 17 from the bottom plate IIa an additional force is necessary.
  • the energization of the Aktuianssspule 18a causes a Magneti ⁇ cal field, over which an additional magnetic ⁇ ischen Aktu réelleskraft F ⁇ is exerted on the armature 17.
  • This can be ⁇ his contract standard is much lower than the mechanical force F mec because only the net holding force F ⁇ - F mec must be overcome.
  • the magnetic Aktu réelleskraft F ⁇ is also limited in time to the detachment of the armature 17 of the bottom plate IIa ⁇ . Is the initial separation is carried out, the magnetic holding force F ⁇ diagram ⁇ falls by the permanent magnet 16 rapidly decreases and the armature 17 is accelerated in the second holding position, ie, moved toward the second base plate IIb.
  • the Be ⁇ acceleration takes place substantially by the mechanical force F mec ⁇
  • the anchor 17 overcomes a distance of two maximum amplitudes within the 2A Genzou ⁇ ses 12th
  • the movement of the armature 17 can be described as
  • Vibration amplitude is then the distance A, i. half the inner dimension of the housing 12th
  • FIG. 3 shows the magnetic actuator 10, in which the armature 17 is in motion, ie in an actuation process.
  • the armature 17, of mass M is moved at a variable speed v from a first stop position, where it is in contact with the first bottom plate IIa, to a second stop position in which it is in contact with the second bottom plate IIb.
  • the mass M of the armature and the amplitude A which is determined by the housing internal dimensions, set the natural frequency ⁇ of the vibration system with the armature 17 as a vibrator.
  • the speed of the Be ⁇ movement process of the armature can be fixed.
  • the mechanical force F mec passes through the
  • FIG. 4 shows the magnetic actuator 10 with an armature 17 in a second holding position, where the armature 17 is in contact with the second bottom plate IIb. In this holding position, in turn, affects a magnetic holding force F of the permanent magnets ⁇ ⁇ th 16 on the armature 17 toward the second base plate IIb.
  • the mechanical force F mec , 2 is opposite to the magnetic holding force F ⁇ , but less in amount, so that the armature 17 remains in the holding position.
  • the mechanical force F mec , 2 in the second holding position can result from the mechanical energy store 20.
  • a second mechanical energy storage exercise the mechanical force in the second holding position, such as springs in the circuit breaker.
  • an actuation magnetic field is again generated for a short time interval.
  • the actuation magnetic field is generated by the coil 18b.

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Abstract

Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient zur Aktuierung wenigstens eines Schalters, und umfasst einen Magnetaktor (10) und einen mechanischen Energiespeicher (20). Dabei stellt der mechanische Energiespeicher dem Anker des Magnetaktors zusätzliche Energie für die Aktuierungsbewegung zur Verfügung. Durch die Möglichkeit die Vorrichtung als schwingungsfähiges System auszugestalten ist über die Eigenfrequenz (ω) des Systems eine Festlegung der Geschwindigkeit (v) der Bewegung des Ankers möglich, die insbesondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters ist.

Description

Beschreibung
Resonanter Magnetaktor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetaktor zur Aktuierung von Schaltern, insbesondere Leistungsschalter.
Es ist bekannt, im Bereich der Mittelspannungsschaltanlagen- technik Aktoren einzusetzen. Prinzipiell sind zur Aktuierung von Schaltanlagen rein mechanische, hydraulische oder elektromagnetische Antriebe bekannt. Die rein mechanische Aktuie¬ rung hat den Nachteil, dass die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten begrenzt sind, sowie der mechanische Aufbau komplex und damit teuer und fehleranfällig ist. Hydraulische Aktoren sind von Leckage betroffen und haben somit den Nachteil eines erhöhten Wartungsbedarfs. Eine elektromagnetische Aktuierung benötigt, um erforderliche Schaltgeschwindigkeiten zu errei¬ chen, einen großen elektrischen Energieeintrag, der somit nachteilig die notwendige Elektronik anfällig und teuer macht .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Aktuierung von Schaltanlagen bereitzustellen, durch die insbesondere ausreichend hohe Schaltgeschwindigkei¬ ten bei geringem Wartungsbedarf und niedrigem elektrischem Energiebedarf gewährleistet sind. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Aktuierung von Schaltanlagen anzugeben.
Die Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren, das die gestellte Aufgabe löst, ist im Patentanspruch 11 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein magneto-mechanischer Aktor für eine Schalteinheit zur Aktuierung wenigstens eines Schalters. Dieser umfasst einen Magnetaktor, wobei der we- nigstens einen Anker aufweist. Der Anker umfasst wenigstens eine magnetische Einheit und ist mittels derer magnetisch ak- tuierbar. Die Vorrichtung umfasst weiter wenigstens einen mechanischen Energiespeicher, wobei der Magnetaktor und der mechanische Energiespeicher so angeordnet sind, und der Anker so mit dem mechanischen Energiespeicher verbunden ist, dass mit dem mechanischen Energiespeicher eine mechanische Kraft auf den Anker ausübbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, hohe Schaltgeschwindigkeiten zu errei¬ chen, und ist somit für die Aktuierung von Lasttrennschal¬ tern, bei denen eine Schaltung unter Last vorgesehen ist, geeignet. Die hohe Schaltgeschwindigkeit hat den Vorteil, dass der Schaltweg schnell überwunden werden kann und somit die Dauer des Schaltvorgangs reduziert wird. Dadurch wird eine Schädigung der Schalterelektroden verringert, zu der es durch die Ausbildung von Lichtbögen bei einem Schaltvorgang unter Last kommt. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 1 m/s erreicht. Es können sogar von der erfindungsgemäßen Vorrichtung Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s erreicht werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetische Aktuierungs-Einheit ausges¬ taltet ist, für einen Aktuierungsvorgang in einem vorgebbaren Zeitintervall eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker auszuüben. Des Weiteren ist die magnetische Einheit ausges¬ taltet, in einer ersten Halteposition eine magnetische Halte¬ kraft auf den Anker auszuüben. Der mechanische Energiespei¬ cher ist ausgestaltet, auf den Anker in einer ersten Haltepo¬ sition eine mechanische Kraft auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegengesetzt ist und betrags¬ mäßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der mechanischen Kraft des mechanischen Energiespeichers und aus der magneti¬ schen Aktuierungskraft der magnetischen Aktuierungs-Einheit betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft der magnetischen Einheit und in einer zweiten Halteposition die mechanische Kraft des mechanischen Energiespeichers auf den Anker annähernd gleich Null oder zumindest vernachlässigbar gegenüber den anderen wirkenden Kräften ist.
Alternativ ist ein zweiter mechanischer Energiespeicher aus- gestaltet, in der zweiten Halteposition eine zweite mechanische Kraft auf den Anker auszuüben, die richtungsmäßig der ersten mechanischen Kraft des ersten mechanischen Energiespeichers in der ersten Halteposition entgegengesetzt ist, und so wiederum der zweiten magnetischen Haltekraft in der zweiten Halteposition entgegengesetzt ist, jedoch betragsmä¬ ßig kleiner ist als die zweite magnetische Haltekraft in der zweiten Halteposition.
Durch den mechanischen Energiespeicher wird also eine zusätz- liehe Kraft auf den Anker ausgeübt, die gestattet, den Anker durch eine Aktuierungskraft in Bewegung zu versetzen, die be¬ tragsmäßig sehr viel geringer sein kann als die mechanische Kraft oder die magnetische Haltekraft. Diese Ausgestaltung der Erfindung bietet also den Vorteil einer elektromechani- sehen Aktuierung mit niedriger Aktuierungsenergie . Somit kann eine flexible Ansteuerung, eine kompakte Bauweise, ein ver¬ schleiß- und wartungsarmer Betrieb, sowie eine kostensparende Auslegung der Ansteuerungselektronik gewährleistet werden. Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung einen Magnetaktor und wenigstens ein Gehäuse mit einer magnetischen Aktuie- rungs-Einheit . Der Magnetaktor ist bevorzugt bistabil ausges¬ taltet, derart, dass der Anker wenigstens eine magnetische Einheit aufweist und ausgestaltet ist, wenigstens eine erste und eine zweite Halteposition einzunehmen, wobei durch die magnetische Einheit in den Haltepositionen eine magnetische Haltekraft auf den Anker ausübbar ist, die den Anker in Kontakt mit dem Gehäuse hält. Dabei dient die magnetische Aktu- ierungs-Einheit zur Überwindung der Haltekraft und bewegt zu- sammen mit dem mechanischen Energiespeicher den Anker von der ersten in die zweite Halteposition. Dazu wird von der magnetischen Aktuierungs-Einheit ein Aktuierungsmagnetfeld er- zeugt, das auf die magnetische Einheit des Ankers in Richtung der nächsten einzunehmenden Halteposition wirkt.
In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mechanische Energiespeicher eine Feder. Die magnetische Aktuierungs-Einheit kann beispielsweise eine elektromagneti¬ sche Einheit sein, insbesondere eine Spule. Die magnetische Einheit kann beispielsweise ein Permanentmagnet sein. Der Energiespeicher ist ausgestaltet, in der ersten Halteposition eine Kraft auf den Anker auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und betragsmäßig klei¬ ner als die magnetische Haltekraft ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der Kraft des mechanischen Energiespeicher und aus der elektromagnetischen Kraft einer elektromagnetischen Einheit die magnetische Haltekraft des
Permanentmagneten überwunden wird, in einer Position des Ankers während eines Aktuierungsvorgangs keine Kraft auf den Anker ausgeübt wird, und in einer zweiten Halteposition eine Kraft auf den Anker ausgeübt wird, die der Kraft in der ers- ten Halteposition richtungsmäßig entgegengesetzt ist, so dass diese wiederum der magnetischen Haltekraft in der zweiten Halteposition entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft in der zweiten Halteposition ist. Kraftbetrag und -richtung der elektromagnetischen Einheit sind insbesondere über die Bestromung, d.h. Stromrichtung und Stromstärke, der Spule variierbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als schwingungsfähiges System ausgestaltet, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse umfasst, welches eine Einschrän¬ kung der Bewegung des Ankers zwischen den Haltepositionen im Gehäuse bedingt, wobei durch die Abmessungen des Gehäuses eine Maximalamplitude A der Ankerbewegung festgelegt ist, und einen Schwinger der Masse M aufweist, wobei der Schwinger we- nigstens den Anker und die magnetische Einheit umfasst, und wobei der Energiespeicher durch eine definierte Proportiona¬ litätskonstanten k gekennzeichnet ist, und wobei die Eigen¬ frequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proporti- onal zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitätskonstanten k ist. Insbesondere gilt zusätzlich, dass die halbe
Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsge¬ schwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maxi¬ malamplitude A ist. Die Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers ist insbesondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch eine geeignete Auslegung des mechanischen Energiespei¬ chers die Schaltgeschwindigkeit genau eingestellt werden kann. Liegt die zweite Halteposition insbesondere im bzw. na¬ he dem Umkehrpunkt der Schwingung, verlangsamt der Anker dort dementsprechend seine Geschwindigkeit, wodurch insbesondere die Abbremsbeschleunigung und damit die Schockbelastung der Mechanik deutlich vermindert werden kann, was eine längere Lebensdauer bei preiswerteren Komponenten ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Magnetaktor. Des Weiteren ist wenigstens ein Kondensator und wenigstens eine magnetische Aktuierungs-Einheit umfasst. Die magnetische Einheit ist eine elektromagnetische Einheit, insbesondere eine Spule. Des Wei¬ teren ist eine Elektronikeinheit umfasst, wobei die Elektro- nikeinheit ausgestaltet ist, den Kondensator mittels elektri¬ schem Strom zu laden, der durch die Bewegung des Ankers und der mit dem Anker verbundenen magnetischen Einheit in der magnetischen Aktuierungs-Einheit induzierbar ist. Insbesonde¬ re ist die magnetische Einheit ein Permanentmagnet. Dabei ist der Kondensator, zur Pufferwirkung, als elektrischer Energiespeicher ausgestaltet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der durch die Ankerbewegung in den Spulen induzierte Strom gespeichert werden kann und im gleichen oder im nächsten Bewegungsvorgang wieder zur Verfügung gestellt wer- den kann. Somit können der mechanische Energiespeicher und der Kondensator als elektrische Energiespeicher gekoppelt werden. Das bietet insbesondere den weiteren Vorteil, dass Reibungsverluste und Energieverluste durch Wirbelstromdämp¬ fung ausgeglichen werden können.
Beispielsweise ist die Vorrichtung mit einem Anker ausgestat¬ tet, der ein stabförmiges Element aufweist und mit einem Ge¬ häuse ausgestattet, das wenigstens einen Führungsdurchlass für das stabförmige Element des Ankers aufweist, und der An¬ ker ist innerhalb des Gehäuses mittels des stabförmigen Ele¬ ments führbar. Diese zweckdienliche Ausgestaltung der Erfindung bietet den Vorteil, dass die Vorrichtung eine kompakte Bauweise aufweisen kann und über das stabförmige Element außerhalb der Vorrichtung einen Anschlusspunkt für die
Schalteinheit zur Verfügung stellt. Insbesondere können über die stabförmige Einheit ein oder mehrere Vakuumschaltröhren angeschlossen werden. Beispielsweise können die Vakuumschalt¬ röhren oder Mittelspannungsschaltanlagen oder Leistungsschalter, insbesondere Lasttrennschalter, über geeignete Kraft¬ übertragungseinrichtungen angeschlossen werden. Geeignete Kraftübertragungseinrichtungen können Hebel oder Wellen sein.
Zweckdienlich ist eine Schaltanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer vorteilhaften Ausführung davon mit einer Schalteinheit. Insbesondere weist die Schalteinheit meh¬ rere Leistungsschalter auf. Dabei kann die Schalteinheit so mit dem Magnetaktor und dem mechanischen Energiespeicher angeordnet sein, dass sie mit dem Anker verbunden ist. Insbe¬ sondere sind die Schalteinheit und der mechanische Energie¬ speicher auf sich gegenüber liegenden Seiten des Magnetaktors angebracht. Die Vorrichtung kann also beispielsweise so aus¬ gestaltet sein, dass auf der einen Seite des Magnetaktors der mechanische Energiespeicher angebracht ist, und auf der ge¬ genüber liegenden Seite des Magnetaktors die Schalteinheit angebracht ist. Insbesondere kann somit der Anker in Form des stabförmigen Elements durch den mechanischen Energiespeicher, den Magnetaktor und die Schalteinheit geführt sein. Insbesondere können somit die Federn in den Vakuumschaltröhren oder Leistungsschaltern in Summe als zweiter mechanischer Energiespeicher dienen. Insbesondere ist auch der erste mechanische Energiespeicher in Form einer Druckfeder realisiert. Alternativ kann der mechanische Energiespeicher ein Gasdruckspeicher sein, der durch Kompression einer Gassäule kinetische Energie in potentielle Energie umsetzt. Beispielsweise kann der me- chanische Energiespeicher auch Blattfedern oder Tellerfedern umfassen. Alternativ kann der mechanische Energiespeicher mit Torsionsfedern, z. B. auf einem Hebel, realisiert sein. Eine weitere Alternative stellen Drehstabfedern, Elastomerfedern oder Evolutfedern dar. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher auch Ringfedern umfassen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung des zu aktuierenden Schalters. Die Betätigungseinrichtung kann beispielsweise selbst einen mechanischen Energiespeicher umfassen. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher ein Federspeicher sein. Dieser kann so ausgestaltet sein, dass eine Notöffnung durch Handbetätigung möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass z. B. im Falle eines Stromausfalls die magnetische Haltekraft, insbesondere der magnetischen Einheit, beispielsweise eines Permanentmagneten, durch einen Hebel überwunden werden kann. Die Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung kann also beispielsweise einen Hebel umfassen. Die Betätigungseinrichtung ist zweckdienlicherweise so ausgestaltet, dass der Magnetaktor trotz fehlender Aktivierungskraft durch die magnetische Aktuierungs-Einheit lediglich durch die mechanische Energie in dem mechanischen Energiespeicher den Schalter öffnet, d.h. beispielsweise eine volle Halbschwingung ausführt und im Zustand der Stromtrennung der Schalter wieder einrastet.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dient zur Aktuierung wenigstens eines Schalters und umfasst wenigstens einen Aktuierungsvorgang, einen ersten und einen zweiten Hal- tezustand. Der Aktuierungsvorgang umfasst die Bewegung des
Ankers mit der magnetischen Einheit. Während des ersten Hal- tezustands wird auf den Anker eine magnetische Haltekraft ausgeübt. Zusätzlich wird auf den Anker eine mechanische Kraft ausgeübt, die richtungsmäßig der magnetischen Halte¬ kraft entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magneti¬ sche Haltekraft ist. Während des zweiten Haltezustands wird auf den Anker eine mechanische Kraft ausgeübt, die der mecha- nischen Kraft des ersten Haltezustands richtungsmäßig entge¬ genwirkt, so dass die wiederum richtungsmäßig der magneti¬ schen Haltekraft des zweiten Haltezustands entgegenwirkt, je¬ doch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft des zweiten Haltezustands ist. Für den Aktuierungsvorgang wird in einem vorgebbaren Zeitintervall eine magnetische Aktuie- rungskraft auf den Anker ausgeübt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt. Die zusätzliche Beschleunigung des Aktors mit dem zusätzlichen mechanischen Energiespeicher hat den Vorteil, stark beschleunigte Schaltvorgänge zu ermög¬ lichen. Somit kann ein Elektrodenabbrand der Schaltelektroden vermieden werden, der beispielsweise in bisherigen Lasttrennschaltern dadurch entstand, dass bei zu geringer Schaltge- schwindigkeit auf kurzen Distanzen zwischen den Schaltelekt¬ roden Lichtbögen ausgebildet werden, die das Elektrodenmate¬ rial schädigen. Mittels der erfindungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung können die Kosten im Hinblick auf die Wartung reduziert werden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung der Vorrichtung zur Aktuierung wenigstens eines Schalters einen Aktuierungsvorgang, der die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit umfasst, wobei die Bewe- gung eine Schwingungsgleichung mit Eigenfrequenz ω erfüllt. D.h., die Bewegung des Ankers ist mit einer Bewegungsglei¬ chung, insbesondere einer Schwingungsgleichung, beschreibbar. Die Eigenfrequenz ω ist charakteristisch für das schwingende System. Die Eigenfrequenz ω erfüllt insbesondere folgenden Zusammenhang: Die Eigenfrequenz ω ist indirekt proportional zur Maximalamplitude A des Schwingers, wobei die Maximalamp¬ litude A durch die Abmessungen des Gehäuses und die dadurch bedingte Einschränkung der Bewegung des Ankers innerhalb des Gehäuses festgelegt ist. Insbesondere legen die Eigenfrequenz ω und die Maximalamplitude A die Schaltgeschwindigkeit fest. Insbesondere ist die durchschnittliche Geschwindigkeit des Ankers v gleich der Schaltgeschwindigkeit der Schalteinheit.
Die Vorrichtung ist beispielsweise so ausgestaltet, dass wäh¬ rend eines Aktuierungsvorganges ein schwingungsfähiges System vorliegt, wobei die Ankermasse den Schwinger darstellt, und der mechanische Energiespeicher, der insbesondere eine Feder ist, sowie das magnetische System aus der ersten und magneti¬ schen Einheit, insbesondere einem Elektromagneten und einem Permanentmagneten, den Erreger des mechanischen Schwingungssystems darstellen. Insbesondere kann der mechanische Ener¬ giespeicher auch aus mehreren Federn aufgebaut sein. Zweck- dienlicherweise ist das schwingungsfähige System aus mechani¬ schem Energiespeicher, magnetischem System und Anker so ausgelegt, dass es eine Eigenfrequenz ω besitzt, die folgende Gleichung erfüllt: ω = 2π—
A
Dabei ist v die durchschnittliche Geschwindigkeit des Ankers, die wiederum proportional ist zur gewünschten Maximalge¬ schwindigkeit vmax entsprechend der Formel
Figure imgf000011_0001
A ist die Amplitude der Schwingung, d.h., beispielsweise die maximale Auslenkung des Ankers innerhalb des Gehäuses. Die Amplitude A kann also beispielsweise die halbe Entfernung zwischen erster und zweiter Bodenplatte des Gehäuses sein. Die Eigenfrequenz ω kann beispielsweise über die Proportio¬ nalitätskonstante k des mechanischen Energiespeichers und über die Masse M des Ankers festgelegt sein, nach folgender Gleichung:
Figure imgf000012_0001
Die Proportionalitätskonstante k des mechanischen Energie¬ speichers ist beispielsweise die Federkonstante der Feder oder des Federsystems des Energiespeichers. Die Masse M ist beispielsweise die Masse des Ankers bzw. der gesamten beweg¬ ten Masse, also aller Massen, die in Verbindung mit dem Anker bewegt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung der Vorrichtung einen Aktuierungsvor- gang, in dem der Anker mit der magnetischen Einheit bewegt wird, und die Bewegung eine Schwingungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω erfüllt, wobei die Eigenfrequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proportional zur Quadrat¬ wurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitätskonstanten k ist, sowie zusätzlich gilt dass die halbe Schwingungsperiode des Sys¬ tems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maximalamplitude A ist, die ins¬ besondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters ist. Über die Bewegung des Ankers ist die Geschwindigkeit v auch beispielsweise gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schal- ters . Ein Vorteil einer derartigen resonanten Auslegung der
Vorrichtung zur Aktuierung ist die Reduzierung der benötigten elektrischen Energie, da die magnetische Aktuierungs-Einheit , insbesondere der Elektromagnet, lediglich die Energieverluste aufgrund von Reibung und Wirbelströmen ausgleichen muss. So- mit liegt ein Vorteil in der Möglichkeit eine preiswertere und wartungsärmere Ansteuerungselektronik, insbesondere in¬ klusive Kondensator zu verwenden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ei- ne Verwendung der Vorrichtung zur Aktuierung wenigstens eines Schalters, wobei der Aktuierungsvorgang die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit, die insbesondere ein Per- manentmagnet ist, relativ zur magnetischen Aktuierungs- Einheit, die insbesondere eine Spule ist, umfasst. Des Weite¬ ren kann der Aktuierungsvorgang die Induktion eines elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit und den Ladevorgang eines Kondensators sowie die Speicherung elektrischer Energie umfassen. Insbesondere bewirkt die Bewegung der magnetischen Einheit relativ zur magnetischen Aktuierungs- Einheit die Induktion des elektrischen Stroms in der magneti¬ schen Aktuierungs-Einheit. Der induzierte elektrische Strom kann den Kondensator laden, wobei der Kondensator zur Pufferwirkung als elektrischer Energiespeicher dienen kann. Beispielsweise können ein Kondensator oder mehrere Kondensatoren elektrische Energie vorhalten, die zur Pufferung der Ankerbe¬ wegung dienen kann. Bei der Ankerbewegung muss z. B. eine Dämpfung durch Reibung und/oder Wirbelströme ausgeglichen werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Kondensator oder können mehrere Kondensatoren so mit dem mechanischen Energiespeicher gekoppelt werden, dass ein elektrome- chanisches Schwingungssystem vorliegt. Insbesondere wird der in den Spulen induzierte Strom aus der Bewegung des Ankers gespeichert und im gleichen oder nächsten Bewegungsvorgang dem Anker wieder zur Verfügung gestellt.
Beispielsweise umfasst die Verwendung der Vorrichtung die Speicherung mechanischer Energie in dem mechanischen Energiespeicher und die Speicherung elektrischer Energie in den Kondensator, wobei die beiden Speichervorgänge zu einem elektro- mechanischen Schwingungssystem gekoppelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Aktuierung wenigs¬ tens eines Schalters, wobei in einem Haltezustand eine mecha¬ nische Kraft auf einen magnetischen aktuierbaren Anker wirkt, die richtungsmäßig einer magnetischen Haltekraft auf den An¬ ker entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magneti¬ sche Haltekraft ist, und für einen Aktuierungsvorgang ein Ak- tuierungsmagnetfeld erzeugt wird, das der magnetischen Halte¬ kraft auf den Anker richtungsmäßig entgegenwirkt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Ak- tuierungskraft betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt. Die Nutzung einer zusätzlichen mechanischen Kraft hat den Vorteil, dass die benötigte elektrische Energie zur Aktuierung minimiert werden kann. Die Aktuierungskraft muss lediglich Energieverluste, z. B. aufgrund von mechanischer Reibung und/oder Dämpfung durch Wirbelströme, ausgleichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass in einem ersten Haltezu- stand die mechanische Kraft auf einen Anker wirkt, die rich¬ tungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und be¬ tragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass für einen Aktuierungsvorgang die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft be¬ tragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und so¬ mit den Anker beschleunigt, während eines Aktuierungsvorgangs die mechanische Kraft auf den Anker einen Nullpunkt durch¬ läuft, um in einem zweiten Haltezustand der mechanischen Kraft in dem ersten Haltezustand richtungsmäßig entgegenzu¬ wirken, so dass die mechanische Kraft in dem zweiten Haltezu¬ stand wiederum der magnetischen Haltekraft in dem zweiten Haltezustand richtungsmäßig entgegenwirkt, jedoch betragsmä¬ ßig kleiner als die magnetische Haltekraft in dem zweiten Haltezustand ist.
Die mechanische Kraft auf den Anker durchläuft während eines Aktuierungsvorgangs einen Nullpunkt, was durch unterschiedli¬ che Aus führungs formen der Vorrichtung realisiert werden kann: Ein Beispiel für eine erste Realisierung ist ein einzelner mechanischer Energiespeicher, der durch beide Bewegungsrichtungen des Ankers Energie aufnehmen kann und in beide Richtungen der Ankerbewegung eine Kraft auf den Anker ausüben kann. Beispielsweise umfasst ein derartiger mechanischer Energiespeicher eine Druckfeder, die in der ersten Halteposition bzw. dem ersten Haltezustand, in gestreckter Richtung vorgespannt ist. Während der Ankerbewegung z. B. entspannt sich die Feder und in der zweiten Halteposition bzw. dem zweiten Haltezustand liegt die Feder in gestauchter Form vor. Eine weitere Aus führungs form kann mit zwei mechanischen Energiespeichern versehen sein, die beispielsweise beidseitig des Magnetaktors angebracht sind. Dabei ist für eine erste Halte- position bzw. einen ersten Haltezustand der erste mechanische Energiespeicher geladen und das der zweite Energiespeicher entladen, wobei sich im Laufe eines Aktuierungsvorgangs der erste Energiespeicher entlädt und der zweite Energiespeicher geladen wird. Insbesondere können die Energiespeicher Federn sein, beispielsweise Blattfedern, Tellerfedern, Torsionsfedern, Drehstabfedern, Elastomerfedern, Evolutfedern oder Ringfedern, wobei ein Energiespeicher aus einer Feder oder auch aus mehreren Federn zusammengesetzt sein kann. Lade- und Entladevorgänge des mechanischen Energiespeichers entsprechen also dem Dehnen bzw. Stauchen und Entspannen von Federn. Alternativ ist eine Ausführung des mechanischen Energiespeichers als Gasdruckspeicher möglich. In einer weiteren Ausführungsform kann der zweite mechanische Energiespeicher in Form der Schalteinheit vorliegen. Dabei stellen die Federn an der Schalteinheit, z. B. die Federn in den Vakuumschaltröhren oder die Federn in den Leistungsschaltern, den mechanischen Energiespeicher dar. Die Proportionalitätskonstante des ers¬ ten Energiespeichers kann dann vorteilhafterweise auf die Proportionalitätskonstante des zweiten mechanischen Energie- Speichers, der in Form der Schalteinheit vorliegt, angepasst werden .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren, wobei der Aktuierungsvorgang eine Bewegung des An- kers mit der magnetischen Einheit umfasst, die eine Schwin¬ gungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω erfüllt. Dabei ist die Eigenfrequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proportional zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitäts- konstanten k ist, sowie zusätzlich gilt dass die halbe
Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsge¬ schwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maxi- malamplitude A ist, die insbesondere gleich der Schaltge¬ schwindigkeit des Schalters ist.
Vorteilhafterweise erfüllt die Eigenfrequenz ω folgende Gleichung :
Figure imgf000016_0001
worüber eine gewünschte durchschnittliche Schaltgeschwindig¬ keit v eingestellt werden kann. Insbesondere ist die Schalt¬ geschwindigkeit bzw. die Aktuierungsgeschwindigkeit abhängig von der Masse M des Ankers und von der Proportionalitätskonstante k des mechanischen Energiespeichers. Die Maximalampli¬ tude A ist über die Gehäuseabmessungen einstellbar. Dabei kann das Gehäuse zweckdienlicherweise mehrteilig ausgeführt sein, wobei zumindest eine Gehäusewand, eine erste Bodenplat¬ te und eine zweite Bodenplatte umfasst sind. Zweckdienlicher¬ weise ist das Gehäuse als weichmagnetisches Joch ausgeführt. Beispielsweise sind in der Gehäusewand eine erste und eine zweite magnetische Einheit enthalten, insbesondere Aktuie- rungsspulen. Die magnetischen Einheiten können insbesondere aus Kupferdraht sein. Beispielsweise kann die Gehäusewand ein Zylinder sein. Die Anordnung des Ankers im Gehäuse kann beispielsweise so erfolgen, dass er in der ersten Halteposition in Kontakt mit der ersten Bodenplatte des Gehäuses liegt und in der zweiten Halteposition in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte des Gehäuses liegt. Zweckdienlicherweise sind die Form des Gehäuses und des Ankers aufeinander abgestimmt. Bei¬ spielsweise ist auch der Anker zylinderförmig ausgeführt. Beispielsweise ist die magnetische Einheit auf dem Anker ein Permanentmagnet. Dieser kann auch wiederum zylinderförmig ausgeführt sein. Alternativ können auch zwei Permanentmagnete auf die Stirnflächen des Ankers aufgebracht werden. Alterna¬ tiv können die Permanentmagnete beispielsweise auch am äuße¬ ren Gehäuse angebracht werden. Beispielsweise können sie an den Bodenplatten angebracht werden. Auch können sie z.B. radial am äußeren Gehäuse angebracht werden, dem Anker gegen- übergesetzt. Vorteilhafterweise werden im Gehäuse zwei magne¬ tische Einheiten, insbesondere zwei Aktuierungsspulen verwendet. Für eine Aus führungs form mit nur einer magnetischen Einheit im Gehäuse ist eine asymmetrische Ausführung des Gehäu¬ ses und/oder des Ankers vorteilhaft.
Der bistabile Magnetaktor besteht aus einem Anker und mindes¬ tens einer auf dem Anker aufgebrachten magnetischen Einheit. Die magnetische Einheit kann beispielsweise ein Permanentmag¬ net sein. Alternativ können auf dem Anker mehrere Permanentmagnete aufgebracht sein. Des Weiteren umfasst der bistabile Magnetaktor ein Gehäuse, das den Anker umgibt. Zweckdienlicherweise ist das Gehäuse als weichmagnetisches Joch ausgestal¬ tet, was den magnetischen Kreis schließt. Insbesondere um¬ fasst das Gehäuse mindestens eine magnetische Einheit, die zur Aktuierung des Ankers dient. Diese magnetische Einheit ist beispielsweise eine Aktuierungsspule . Alternativ können auch mehrere Aktuierungsspulen in dem Gehäuse umfasst sein. Zweckdienlicherweise sind zwei Aktuierungsspulen für die zwei Haltepositionen des Ankers im Gehäuse umfasst. Beispielsweise sind die Spulen aus Kupferdraht. Der Anker wird entlang einer Achse im Gehäuse bewegt. Die Permanentmagnete auf dem Anker können radial an dem Anker angebracht sein oder alternativ an den Stirnflächen des Ankers. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete muss auf deren Anbringung angepasst sein. Beispielsweise werden auf die Stirnflächen des Ankers axial- magnetisierte Permanentmagnete aufgebracht. Die Stirnflächen des Ankers sind die Flächen, die in den Haltepositionen an den Bodenplatten anliegen. Der Anker kann beispielsweise quaderförmig ausgestaltet sein. Der Anker kann hohl sein. Der Anker kann beispielsweise zylinderförmig ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist die Ankerform der Gehäuseform ange¬ passt. In einer beispielhaften Aus führungs form wird nur eine magnetische Einheit zur Aktuierung, d.h. beispielsweise eine Aktuierungsspule, verwendet, wobei dann die Jochteile des Ge¬ häuses asymmetrisch auszuführen sind, um den Magnetkreis an die geänderten Haftungskräfte anzupassen. Der mechanische Energiespeicher ist vorzugsweise so auszufüh¬ ren, dass in einer Halteposition des Ankers die mechanische Kraft nicht die magnetische Haltekraft übersteigt.
Vorteilhafterweise sind die zur Aktuierung verwendeten magne¬ tischen Einheiten Aktuierungsspulen. Für die Auslösung eines Schaltvorgangs werden die Aktuierungsspulen während eines de¬ finierten Zeitintervalls mit Strom beaufschlagt. Dieses Zeit¬ intervall beträgt vorzugsweise einige Millisekunden. Das Zeitintervall kann beispielsweise auf maximal 30 ms be¬ schränkt sein. Durch den Strom in den Spulen wird ein Magnetfeld erzeugt. Die Richtung des Magnetfelds ist von der Strom¬ richtung abhängig. Somit kann beispielsweise mittels einer Spule die Ablösung des Ankers von der Bodenplatte bewirkt werden. Insbesondere wirkt durch das erzeugte Magnetfeld eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker. Diese addiert sich z B. zu der mechanischen Kraft des mechanischen Energiespeichers. Dieser mechanische Energiespeicher ist beispiels¬ weise eine Feder, die im anfänglichen Haltezustand gespannt vorliegt. Die gespeicherte potentielle Energie kann dann in kinetische Energie des Ankers und in kinetische Energie der beweglichen Teile der Schalteinheit überführt werden. Nach der Ablösung des Ankers von der Bodenplatte nehmen die Mag¬ netkräfte auf den Anker stark, nicht linear ab. So wird bei¬ spielsweise nach der anfänglichen Überwindung der magnetischen Haltekraft der Anker stark beschleunigt.
Vorteilhafterweise können mechanische Reibungsverluste und/oder eine Dämpfung durch Wirbelströme ausgeglichen werden, indem eine magnetische Einheit in dem Gehäuse, insbeson¬ dere eine zweite Aktuierungsspule, so mit Strom beaufschlagt wird, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld die Haltekraft der magnetischen Einheit am Anker unterstützt und so den Anker bei Annäherung an die gegenüber liegende Bodenplatte des Ge¬ häuses in seiner Bewegung noch beschleunigt.
Die Bewegung des Ankers wird beispielsweise durch die Kraft eines zweiten mechanischen Energiespeichers abgebremst. Die- ser kann wiederum eine Feder enthalten oder sein. Alternativ liegt der zweite mechanische Energiespeicher in Form der Schalteinheit vor, wobei die Federn an den Schaltröhren den mechanischen Energiespeicher bilden. Durch den Abbremsvorgang kann die kinetische Energie wieder in potentielle Energie um¬ gesetzt werden. Das Einrasten des Ankers in der zweiten Halteposition kann wiederum aufgrund magnetischer Haltekräfte passieren. Die Stirnfläche des Ankers ist dann in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte des Gehäuses. In dem mechanischen Energiespeicher ist wieder ein Ausgangspunkt erreicht, indem mechanische Energie vorgehalten wird.
Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung werden in exem- plarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 der ange- hängten Zeichnung beschrieben:
Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung mit dem Magnetaktor und einem mechanischen Energiespeicher.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer Aus führungs form der
Vorrichtung mit dem Anker in einer ersten Halteposition .
Figur 3 zeigt einen Querschnitt der Aus führungs form der Erfindung wie in Figur 2 mit dem Anker während des Ak- tuierungsvorgangs .
Figur 4 zeigt einen Querschnitt der Aus führungs form der Erfindung wie in Figur 2 mit dem Anker in der zweiten Halteposition .
In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der magneto-mechanische Aktor einen mechanischen Energiespei¬ cher 20 mit einer Feder 26, eine elektromagnetische Einheit 18a/b in Form einer Spule und einen Permanentmagneten 16. Der mechanische Energiespeicher 20 übt in der ersten Halteposition eine mechanische Feder-Kraft Fmec auf den Anker 17 aus, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft F^ entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft F^ ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der Feder-Kraft Fmec und aus einer elektromagnetischen Aktuie- rungskraft die magnetische Haltekraft F^ des Permanent¬ magneten 16 überwunden wird, in einer Position des Ankers 17 während eines Aktuierungsvorgangs keine Kraft auf den Anker 17 ausgeübt wird, und in einer zweiten Halteposition eine Feder-Kraft Fmec,2 auf den Anker 17 ausgeübt wird, die der Fe¬ der-Kraft Fmec in der ersten Halteposition richtungsmäßig ent¬ gegengesetzt ist, so dass diese wiederum der magnetischen Haltekraft F^^ in der zweiten Halteposition entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft Fmec,2 in der zweiten Halteposition ist. Kraftbetrag und - richtung der elektromagnetischen Einheit 18a/b sind insbesondere über die Bestromung, d.h. Stromrichtung und Stromstärke, der Spule variierbar.
Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabgetreu¬ en Abbildungen dar. Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel einer Aus führungs form der Vorrichtung sind ein Magnetaktor 10 und ein mechanischer Energiespeicher 20 gezeigt. Der mechani- sehe Energiespeicher 20 ist seitlich an den Magnetaktor 10 angebracht. Der Magnetaktor ist symmetrisch ausgeführt und umfasst ein Gehäuse, welches aus einer zylinderförmigen Ge¬ häusewand 12, einer ersten Bodenplatte IIa und einer zweiten Bodenplatte IIb aufgebaut ist. Das Gehäuse ist aus einem weichmagnetischen Material. Die Bodenplatten lla/b stellen somit die Seitenwände des Gehäuses 12 dar. Die Bodenplatten lla/b weisen Führungsdurchlässe für den Stab 14 auf. Der An¬ ker (17) ist innerhalb des Gehäuses (lla/b, 12) mittels des Stabs (14) führbar. Der Stab 14, an dem der Anker 17 ange- bracht ist, verläuft auf der Rotationsachse des Gehäuses. Der Anker 17 wiederum ist zylindrisch ausgeführt. Radial um den Anker 17 herum ist ein wiederum zylinderförmiger Permanentmagnet 16 angebracht. Der Permanentmagnet 16 ist radial mag- netisiert. In der Gehäusewand 12 sind zwei Aktuierungsspulen 18a/b eingeschlossen. Diese sind so angebracht, dass der An¬ ker 17 in einer Halteposition mit der an der ersten Bodenplatte IIa anliegenden Stirnseite innerhalb der Aktuie- rungsspule 18a liegt. Der Stab 14, der mit dem Anker 17 ver- bunden ist, wird durch die Führungsdurchlässe in den Boden¬ platten lla/b des Gehäuses 12 aus dem Gehäuse 12 herausge¬ führt. Auf der einen Seite des Gehäuses 12 kann an dem Stab 14 die Schalteinheit angebracht werden, z. B. über eine ge- eignete Kraftübertragungseinrichtung, wie z. B. einen Hebel. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt der Stab 14 aus dem Gehäuse 12 aus und tritt in den mechanischen Energiespeicher 20 ein. In dem mechanischen Energiespeicher ist der Stab 14 mit der Druckfeder 26 verbunden. Der mechanische Energiespei- eher 20 weist weiter einen Teller 24 auf, der fest mit dem
Stab 14 verbunden ist. Der Teller 24 schlägt nach der Aktuie- rungsbewegung an einer Anschlagscheibe 25 an. Die Druckfeder 26 ist der mechanische Energiespeicher 20. Die Druckfeder 26 ist in gespanntem Zustand, d.h. in einer ersten Haltepositi- on, gezeigt.
Vorzugsweise wird der Anker 17 zylindrisch ausgeführt und darauf radial magnetisierte Permanentmagnete 16 aufgebracht. Vorzugsweise ist auch das den Anker 17 umgebende Gehäuse zy- lindrisch ausgeführt. Das Gehäuse weist vorzugsweise zwei Bo¬ denplatten lla/b aus einem weichmagnetischen Material auf, die für den Schluss des magnetischen Kreises sorgen, solange der Anker 17 sich in Kontakt mit den Bodenplatten lla/b befindet. Der Anker 17 befindet sich in Kontakt mit einer der Bodenplatten lla/b, solange die auf den Anker 17 wirkenden Kräfte ihn in dieser Position halten.
Figur 2 zeigt den Magnetaktor 10 mit dem Anker 17 in einer ersten Halteposition in vereinfachter Darstellung. Der Anker 17 ist in Kontakt mit der ersten Bodenplatte IIa. Die magne¬ tische Haltekraft des Permanentmagneten 16 auf den Anker 17 wirkt in Richtung der Bodenplatte IIa. Der Anker 17 hat eine Masse M. Die mechanische Kraft Fmec des mechanischen Energie¬ speichers wirkt entgegen der magnetischen Haltekraft F^, ist jedoch betragsmäßig geringer als die magnetische Haltekraft FmH und kann deshalb in der Halteposition den Anker 17 nicht von der Bodenplatte IIa ablösen. Zum Ablösen des Ankers 17 von der Bodenplatte IIa ist eine zusätzliche Kraft notwendig. Die Bestromung der Aktuierungsspule 18a bewirkt ein magneti¬ sches Feld, worüber auf den Anker 17 eine zusätzliche magne¬ tische Aktuierungskraft F^ ausgeübt wird. Diese kann be¬ tragsmäßig sehr viel geringer als die mechanische Kraft Fmec sein, da nur die Netto-Haltekraft F^ - Fmec überwunden werden muss. Die magnetische Aktuierungskraft F^ ist auch zeitlich auf das Ablösen des Ankers 17 von der Bodenplatte IIa be¬ schränkt. Ist die initiale Ablösung erfolgt, fällt die magne¬ tische Haltekraft F^ durch den Permanentmagneten 16 rasch ab und der Anker 17 wird in die zweite Halteposition beschleunigt, d.h., auf die zweite Bodenplatte IIb zubewegt. Die Be¬ schleunigung erfolgt dabei im Wesentlichen durch die mechanische Kraft Fmec · Der Anker 17 überwindet innerhalb des Gehäu¬ ses 12 eine Strecke von zwei Maximalamplituden 2A. Die Bewe- gung des Ankers 17 ist als Schwingung beschreibbar. Die
Schwingungsamplitude ist dann die Strecke A, d.h. die Hälfte der Innenabmessung des Gehäuses 12.
In Figur 3 ist der Magnetaktor 10 gezeigt, in dem sich der Anker 17 in Bewegung, d.h. in einem Aktuierungsvorgang, befindet. Der Anker 17, mit Masse M, wird mit einer veränderlichen Geschwindigkeit v von einer ersten Halteposition, wo er in Kontakt mit der ersten Bodenplatte IIa ist, in eine zweite Halteposition bewegt, in der er in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte IIb ist. Die Masse M des Ankers und die Amplitude A, die durch die Gehäuseinnenmaße festgelegt ist, legen die Eigenfrequenz ω des Schwingungssystems mit dem Anker 17 als Schwinger fest. Darüber ist auch die Geschwindigkeit des Be¬ wegungsvorgangs des Ankers festlegbar. Während eines Aktuie- rungsvorgangs durchläuft die mechanischen Kraft Fmec auf den
Anker 17 einen Nullpunkt um in einem zweiten Haltezustand der mechanischen Kraft Fmec in dem ersten Haltezustand richtungs¬ mäßig entgegen zu wirken, so dass die zweite mechanische Kraft Fmec,2 in dem zweiten Haltezustand wiederum der zweiten magnetischen Haltekraft F^^ in dem zweiten Haltezustand richtungsmäßig entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die zweite magnetische Haltekraft F^^ in dem zweiten Halte¬ zustand ist. Figur 4 zeigt den Magnetaktor 10 mit einem Anker 17 in einer zweiten Halteposition, wo der Anker 17 in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte IIb ist. In dieser Halteposition wirkt wiederum eine magnetische Haltekraft F^^ des Permanentmagne¬ ten 16 auf den Anker 17 in Richtung der zweiten Bodenplatte IIb. Die mechanische Kraft Fmec,2 ist entgegengesetzt zu der magnetischen Haltekraft F^^, jedoch betragsmäßig geringer, so dass der Anker 17 in der Halteposition verbleibt. Die mechanische Kraft Fmec,2 in der zweiten Halteposition kann von dem mechanischen Energiespeicher 20 herrühren. Alternativ kann ein zweiter mechanischer Energiespeicher die mechanische Kraft in der zweiten Halteposition ausüben, beispielsweise Federn im Leistungstrennschalter. Für den rückwärtigen Aktu- ierungsvorgang von der zweiten in die erste Halteposition wird wiederum für ein kurzes Zeitintervall ein Aktuierungs- magnetfeld erzeugt. Das Aktuierungsmagnetfeld wird durch die Spule 18b erzeugt.

Claims

Patentansprüche
1. Magneto-mechanischer Aktor für eine Schalteinheit mit
- einem Magnetaktor (10), der einen Anker (17) aufweist, wobei der Anker (17) wenigstens eine magnetische Ein¬ heit (16) umfasst und mittels derer magnetisch aktuier- bar ist, und wenigstens
- einem mechanischen Energiespeicher (20), wobei der Anker (17) so mit dem mechanischen Energiespeicher (20) verbunden ist, dass mit dem mechanischen Energiespeicher (20) eine mechanische Kraft (Fmec) auf den Anker (17) ausübbar ist.
2. Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 1, wobei die
magnetische Einheit (16) ausgestaltet ist, in
einer ersten Halteposition eine magnetische Haltekraft (FmH) auf den Anker (17) auszuüben und der mechanische Energiespeicher (20) ausgestaltet ist, auf den Anker (17) in der ersten Halteposition eine mechanische Kraft (Fmec) auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft
(FmH) entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH) ist.
3. Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetische Einheit (16) ein Permanentmagnet ist.
4. Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der mechanischen Kraft (Fmec) des Energiespei- chers (20) und aus einer magnetischen Aktuierungskraft
(FmA) einer magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) be¬ tragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft (FmH) der magnetischen Einheit (16) . 5. Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die magnetische Einheit (16) ausgestal¬ tet ist, in einer zweiten Halteposition eine magnetische Haltekraft (FmH 2) auf den Anker (17) auszuüben und der Energiespeicher (20) ausgestaltet ist, auf den Anker (17) in der zweiten Halteposition eine mechanische Kraft
(Fmec,2) auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft (FmH,2) entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH,2) ist.
Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein zweiter mechanischer Energiespeicher umfasst ist, der ausgestaltet ist, auf den Anker (17) in der zweiten Halteposition eine mechanische Kraft (Fmec,2) auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft (FmH,2) entgegengesetzt ist und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH,2) ist.
Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Kondensator und einer Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist, den Kondensator mit dem elektrischen Strom, der durch die Bewegung des Ankers (17) und der mit dem Anker (17) verbundenen magnetischen Einheit (16) in der magnetischen Aktu- ierungs-Einheit (18a/b) induziert wird, zu laden.
Magneto-mechanischer Aktor nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist, den Kondensator zu entladen und den elektrischen Strom zurückzuspeisen .
Schaltanordnung mit einem magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche und mit einer Schalteinheit, die insbesondere mehrere Leistungsschalter umfasst, wobei die Schalteinheit mit dem Anker (17) verbunden ist und insbesondere ein zweiter mechanische Energiespeicher ist .
Magneto-mechanischer Aktor nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung des zu aktuierenden Schalters.
11. Verfahren zum Betrieb eines magneto-mechanischen Aktors nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Aktuie- rungsvorgang die Bewegung des Ankers (17) mit der magnetischen Einheit (16), insbesondere einem Permanentmagne¬ ten, relativ zur magnetischen Aktuierungs-Einheit
(18a/b), insbesondere einer Spule, sowie die Induktion eines elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) und den Ladevorgang eines Kondensa¬ tors sowie die Speicherung elektrischer Energie umfasst, wobei die Bewegung der magnetischen Einheit (16) relativ zur magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) die Indukti¬ on des elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit (18a/b) bewirkt, und der induzierte elekt¬ rische Strom den Kondensator lädt.
12. Verfahren zum Betrieb eines magneto-mechanischen Aktors nach Anspruch 11, wobei die im Kondenstor gespeicherte elektrische Energie zur Pufferung der Ankerbewegung zurückgespeist wird.
13. Verfahren zur Aktuierung wenigstens eines Ankers in einem magneto-mechanischen Aktors nach einem der vorstehenden Ansprüche aus einem Haltezustand heraus, wobei im Halte- zustand eine mechanische Kraft (Fmec), die von einem me¬ chanischen Energiespeicher (20) auf den Anker (17) erzeugt wird, die richtungsmäßig einer magnetischen Halte¬ kraft (FmH) auf den Anker (17) entgegenwirkt und betrags¬ mäßig kleiner als die magnetische Haltekraft (FmH) ist, und für die Aktuierung ein Aktuierungsmagnetfeld erzeugt wird, das der magnetischen Haltekraft (FmH) auf den Anker (17) richtungsmäßig entgegenwirkt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft (Fmec) und aus der magnetischen Ak- tuierungskraft (F^) betragsmäßig größer ist als die mag¬ netische Haltekraft (FmH) und somit der Anker (17) be¬ schleunigt wird, wobei die Beschleunigung zum überwiegenden Teil von der mechanischen Kraft des Energiespeichers bewirkt wird.
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