WO2013029942A2 - Magnetischer aktor und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

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WO2013029942A2
WO2013029942A2 PCT/EP2012/065491 EP2012065491W WO2013029942A2 WO 2013029942 A2 WO2013029942 A2 WO 2013029942A2 EP 2012065491 W EP2012065491 W EP 2012065491W WO 2013029942 A2 WO2013029942 A2 WO 2013029942A2
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magnetic
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Georg Bachmaier
Andreas GÖDECKE
Michael HÖGE
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
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    • H01F7/1615—Armatures or stationary parts of magnetic circuit having permanent magnet
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    • 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

  • Magnetic actuator and method for its operation The invention relates to a magnetic actuator for electromagnetic drive for switching medium-voltage switchgear. Furthermore, a method for operating the magnetic actuator is specified. For so-called medium-voltage switchgear bistable electromagnetic linear actuators are operated for switching on and off. These have superior dynamics over older technologies, such as spring-loaded systems. This, even though they are made up of a few moving parts.
  • a disadvantage of magnetic actuators is that they require considerable electrical power to operate them. This means a large design of the power electronics, which causes high costs. Furthermore, the necessary power can not normally be taken directly from a pre ⁇ existing supply network. This means that the use of large storage capacities such as capacitors is necessary. This, however, limits the life and additional costs are incurred.
  • Permanent magnets serve to generate a permanent, magnetic flux, so that the permanent magnets provide for the application of a holding force in a stable holding position. They are applied to the circumference of the actuator.
  • Permanent magnets should hold the armature in the end positions in a stable, locked position. These stable positions are necessary to control the actual medium voltage Keep switch in the closed or in the open position, in particular without a constant external energization of the actuator coils.
  • a switch to be switched is attached via existing rods on the actuator.
  • a scarf ter a medium voltage switchgear is connected by suitable power transmission means ⁇ with the magnetic actuator.
  • an upper and a lower actuator coil are alternately energized.
  • the holding force must be broken in the respective opposite holding position.
  • a magnetic actuator which is equipped with upper and lower actuator coils, can initially be held bistable in a respective end position. In order to move the upper and lower actuator coil to be energized so as to produce a like ⁇ netic field, which negates the effect of the permanent magnetic field. The respective opposite coil is then energized so as to produce an attractive force in the respective direction.
  • the invention has for its object to simplify the replacement of an anchor from a stable end position.
  • the solution of this task is done by the respective Merk ⁇ malskombination an independently formulated claim.
  • the invention is based on the finding that a con ⁇ structive division of an armature of a magnetic actuator in egg ⁇ nen inner armature and an outer armature, which are axially movable against each other, a gradual reduction of Hal ⁇ te concept when detached from a stable holding position in the end position a switching electrode can be achieved. So not a huge amount of energy must be set free ⁇ during a switching process to bring about an actuation in the opposite direction from a stable end position of a bistable solenoid actuator len.
  • the magnetic field of the larger, outer armature is switched by the movement of a smaller, inner armature. Also switched are the large adhesive forces that are effective in the end position when both the inner and outer anchors are on strike.
  • the following upon detachment of the supply of the inner armature BEWE ⁇ movement of the outer armature is the actual actuator movement.
  • the outer actuator is connected via corresponding mechanical parts with a scarf to ⁇ Tenden system.
  • the magnetic actuator shown in cross-section in the figures has a total rotational symmetry.
  • the mechanism to be actuated is connected to the outer armature, the inner armature can be moved without the additional inertia of the rest of the mechanism, which can be done very quickly and with little energy.
  • the magnetic actuator according to the invention fulfills the purpose that the inner armature with relatively little expenditure of energy elekt ⁇ -driven advertising displaced within the outer armature of the can.
  • the magnetic field which is generated by the permanent magnets fastened to the inner armature is changed over in such a way that the holding force between the outer armature and the housing / yoke is greatly reduced becomes.
  • the outer armature can now easily, that is separated with little electrical energy from the housing.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a stable, electromagnetic ⁇ rule linear actuator with permanent magnet 5. Also indicated are circuits for current measurement 6, which in each case on the upper actuator coil 3 and on the lower actuator coil 4 maral- tet are.
  • FIG. 2 shows, in particular, that an approximately hollow-cylindrical housing, which serves as a yoke 1, is present, wherein both closed end sides of the hollow-cylindrical structure have a central passage 8. This serves to guide the lifting rod 9, for which a stroke is generated.
  • a two-piece anchor consisting of an inner anchor 22 and an outer armature 21, which are mutually movable.
  • the inner armature 22 moves relative to äuße ⁇ ren armature 21 and the outer armature 21 is axially movable between two stable end positions in the housing.
  • the outer anchor in the central region in cross-section double-T-shaped and carries the inner armature 22 between two end stop elements of the double-T-shaped construction.
  • the annular armature 22 encloses the outer armature 21 and is axially movable relative thereto.
  • the outer actuator 21 is integrally formed with the axially aligned lifting rod 9, which is guided in the passages 8.
  • the permanent magnets 5 are arranged on the outer circumference of the inner An ⁇ core 22.
  • the outer anchor 2 1 in the lower holding position. That is, the double T-shaped construction abuts the lower end of the yoke 1.
  • the inner armature 22 still has a gap to the outer armature 2 1. Normally, in this switching state, the inner armature 2 2 is in abutment with the lower stop part of the double-T-shaped construction.
  • the upper actuator coil 3 and the lower actuator coil 4 are switched as needed, in principle, the respective opposing actuator coil detaches the armature from the opposite bistable end position and accelerates in the direction of the energized coil.
  • An expected switching operation in the illustration of Figure 2 would consist in that the upper actuator coil 3 is energized and builds up a magnetic field. This would result in a stroke of the lifting rod 9, which is directed from the housing upwards or outwards.
  • the figures 3. 1, 3. 2 and 3. 3 show a sequence of the flow during a lifting movement of the lifting rod 9. Shown in each case are the actuators 7, which are constructed from a hollow-cylindrical yoke with correspondingly guided, two-part armature. Visible is still the upper actuator coil 3 and the lower actuator coil 4th In Figure 3. 1, the current is zero. In the figure 3. 2, the lower actuator coil 4 is energized. The same applies to FIG. 3. 3, in which the lower actuator coil 4 is energized.
  • FIG. 3 shows a peeling operation of the inner and outer anchors from the upper, stable end position to the status of the detached inner and outer anchors.
  • Figure 3. 1 shows that the holding force FQ is composed of the force F] _ between the outer armature 2 1 and the yoke 1 and the force F2 from the inner to the outer armature.
  • the upper and lower actuator coils are de-energized and the magnetic field for holding the armature in the stable position in the upper region 5 is ⁇ by the permanent magnets.
  • FIG. 3.2 The illustration corresponding to FIG. 3.2 is connected to an energized, lower actuator coil 4, wherein the inner armature 22 has already detached from the upper part of the double-T-shaped outer armature 21.
  • the inner armature 22 moves, attracted by the magnetic field of the lower actuator coil 4, ent ⁇ speaking his mobility, within the outer armature 21 down until it meets the lower stop of the double-T-shaped outer armature (21).
  • the inner armature 22 and the externa ⁇ ßere anchor 21 have a relative positioning of which is maintained up to the lower, stable end position. Upon reaching this stable end position, the energization of the lower actuator coil 4 can be canceled and the magnetic field of the permanent magnet 5 ensures the fixation in this stable position.
  • Figure 3.1 shows the basic configuration. There is no electricity here.
  • the magnetic flux of the permanent magnet or magnets 5 builds up the holding force both between the inner and outer armature as well as between the outer armature and the housing or the yoke 1.
  • the holding force holds, for example, a circuit breaker of a system to be switched, which is connected via mechanical rods to the solenoid actuator.
  • a bistable actuator as well as a switch can stably lock in its end positions.
  • Figure 3.2 it is shown how a current applied in a corresponding actuator coil first lifts the holding force of the inner armature to the outside.
  • the inner armature 22 separates from the outer armature 21 and is accelerated downward.
  • the essence of the invention lies in the structural division of the anchor in two parts, an inner and an outer part.
  • the mechanism to be actuated for example a switchgear, is connected only to the outer armature 21.
  • the permanent magnets are attached to the inner armature 22.
  • the inner armature has only mechanical and magnetic contact with the outer armature.
  • the outer anchor interacts with the yoke.
  • the division of the armature of a magnetic actuator in two parts has the significant advantage that the armature is to switch with little energy and that this movement also simplifies the switching process or detachment process from a stable holding position for the outer, larger anchor.
  • the switching of the magnetic flux through the initial movement of the inner actuator 22 enables a particularly fast and energy-efficient actuation of the bistable magnetic actuator.

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Abstract

Es wird ein Magnetaktor (7) zur Erzeugung einer linearen Bewegung beschrieben, bestehend aus einem hohlzylinderförmigen, geschlossenen Gehäuse, welches ein Joch (1) darstellt, mit jeweils einem stirnseitigen zentralen Durchgang (8) und einem zweigeteilten Anker mit einem äußeren und einem inneren Anker (21, 22), wobei der äußere Anker (21) einstückig mit einer zentralen Hubstange (9), die stirnseitig am Gehäuse jeweils in dem Durchgang (8) geführt ist, ausgebildet ist, und der innere Anker (22), der den äußeren Anker (21) ringförmig in einem Bereich des Gehäuses umschließt, einen inneren Querschnitt aufweist, so dass der innere Anker (22) axial relativ zum äußeren Anker (21) zwischen Anschlägen bewegbar ist, und die Anschläge zur Bestimmung jeweils einer stabilen Lage zwischen äußerem Anker (21) und dem Joch (1) dienen, und Permanentmagnete (5) auf dem äußeren Umfang des inneren Ankers (22) angeordnet sind, sowie obere und untere Aktorspulen (3, 4) zur jeweiligen Erzeugung eines Magnetfeldes zur Bewegung des Ankers in eine bestimmte Richtung, und die Hubstange (9) einseitig mit einer zu schaltenden Anlage verbunden ist, zur Positionierung in einer jeweils bistabilen Lage im Gehäuse des Magnetaktors (7), beispielsweise einer Mittelspannungs-Schaltanlage.

Description

Beschreibung
Magnetischer Aktor und Verfahren zu dessen Betrieb Die Erfindung betrifft einen magnetischen Aktor zum elektromagnetischen Antrieb zur Schaltung von Mittelspannungs- Schaltanlagen. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb des Magnetaktors angegeben. Für sogenannte Mittelspannungs-Schaltanlagen werden bistabile elektromagnetische Linearaktoren zum Ein- und Ausschalten betrieben. Diese weisen gegenüber älteren Technologien, die beispielsweise mit Federspeichersystemen ausgestattet sind, eine überlegene Dynamik auf. Dies, obwohl sie aus wenigen, beweglichen Teilen aufgebaut sind.
Ein Nachteil der Magnetaktoren besteht jedoch darin, dass für deren Betätigung erhebliche elektrische Leistungen benötigt werden. Dies bedeutet eine große Auslegung der Leistungs- elektronik, was hohe Kosten verursacht. Weiterhin kann die notwendige Leistung im Normalfall nicht direkt aus einem vor¬ handenen Versorgungsnetz entnommen werden. Dies bedeutet, dass die Verwendung von großen Speicherkapazitäten wie Kondensatoren notwendig ist. Dadurch wird jedoch die Lebensdauer eingeschränkt und es werden zusätzliche Kosten aufgeworfen.
Bisher sind bistabile elektromagnetische Linearaktoren auf Permanentmagnet-Basis mit einem monolithisch aufgebauten Anker eingesetzt worden. Ein danach aufgebauter Magnetaktor ist beispielhaft in der Figur 1 dargestellt. Permanentmagnete dienen dazu, einen dauerhaften, magnetischen Fluss zu erzeugen, so dass die Permanentmagnete für die Aufbringung einer Haltekraft in einer stabilen Halteposition sorgen. Sie sind am Umfang des Aktors aufgebracht.
Permanentmagnete sollen den Anker in den Endstellungen in einer stabilen, arretierten Position halten. Diese stabilen Positionen sind notwendig, um den eigentlichen Mittelspannungs- Schalter in geschlossener bzw. in geöffneter Stellung zu halten, insbesondere ohne eine ständige äußere Bestromung der Aktorspulen. Dabei wird ein zu schaltender Schalter über vorhandene Stangen am Aktor befestigt. Allgemein wird ein Schal- ter einer Mittelspannungs-Schaltanlage durch geeignete Kraft¬ übertragungseinrichtungen mit dem Magnetaktor verbunden. Zum Schalten des Aktors in beide Richtungen werden jeweils eine obere und eine untere Aktorspule im Wechsel bestromt. Dazu muss in der jeweilig gegenüberliegenden Halteposition die Haltekraft aufgebrochen werden.
Ein Magnetaktor, der mit oberen und unteren Aktorspulen ausgestattet ist, kann zunächst bistabil in einer jeweiligen Endstellung gehalten werden. Zur Bewegung werden die obere bzw. die untere Aktorspule derart bestromt, dass sie ein mag¬ netisches Feld erzeugen, welches die Wirkung des permanent magnetischen Feldes negiert. Die jeweils entgegengesetzte Spule wird danach bestromt, um so eine anziehende Kraft in die jeweilige Richtung zu erzeugen.
Zum Schalten des Ankers von der oberen in die untere Haltepo¬ sition bzw. umgekehrt ist ein Aufbrechen der Kräfte notwendig, die jeweils auf den Anker wirken. Hierzu werden die obe¬ re bzw. die untere Aktorspule bestromt, um ein solches magne- tisches Feld zu erzeugen, dass die Wirkung des permanent mag¬ netischen Feldes negiert. Da die notwendige Leistung im Nor¬ malfall nicht direkt aus einem vorhandenen Netz entnommen werden kann, sind als Speicherkapazitäten große Kondensatoren eingebaut worden. Weiterhin wurden die Halbleiterbausteine in der Leistungselektronik auf die notwendigen Leistungsbereiche eingestellt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ablösung eines Ankers aus einer stabilen Endstellung zu vereinfachen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merk¬ malskombination eines unabhängig formulierten Patentanspruchs . Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine kon¬ struktive Zweiteilung eines Ankers eines Magnetaktors in ei¬ nen inneren Anker und einen äußeren Anker, die gegeneinander axial beweglich sind, eine stufenweise Verringerung der Hal¬ tekräfte beim Ablösen aus einer stabilen Halteposition in der Endlage einer Schaltelektrode erzielt werden kann. So muss nicht bei einem Schaltvorgang eine enorme Energiemenge frei¬ gesetzt werden, um von einer stabilen Endlage eines bistabi- len Magnetaktors eine Aktuierung in die entgegengesetzte Richtung herbeizuführen.
In diesem Fall wird durch die Bewegung eines kleineren, inneren Ankers das magnetische Feld des größeren, äußeren Ankers geschaltet. Geschaltet werden auch die großen Haftkräfte, die in der Endlage wirksam sind, wenn beide, der innere und der äußere Anker, auf Anschlag sind. Die beim Ablösen der Bewe¬ gung des inneren Ankers folgende Bewegung des äußeren Ankers stellt die eigentliche Aktorbewegung dar. Der äußere Aktor ist über entsprechende mechanische Teile mit einer zu schal¬ tenden Anlage verbunden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der in den Figuren im Querschnitt dargestellte Magnetaktor insgesamt rotationssym- metrisch ausgebildet ist.
Da die zu aktuierende Mechanik mit dem äußeren Anker verbunden ist, kann der innere Anker ohne die zusätzliche Trägheit der restlichen Mechanik bewegt werden, was besonders schnell und mit wenig Energieaufwand erledigt werden kann.
Der Magnetaktor entsprechend der Erfindung erfüllt den Zweck, dass der innere Anker mit relativ geringem Aufwand an elekt¬ rischer Energie innerhalb des äußeren Ankers verschoben wer- den kann. Durch die Verschiebung wird das magnetische Feld, welches durch die am inneren Anker befestigten Permanentmagnete erzeugt wird, derart umgestellt, dass die Haltekraft zwischen äußerem Anker und Gehäuse/Joch stark vermindert wird. Der äußere Anker kann nun leicht, d.h. mit nur wenig elektrischer Energie vom Gehäuse getrennt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, dass mit einem geringen Nutz- ström bzw. Steuerstrom eine Schaltung derart möglich ist, dass der Anker eines Aktors bistabil hin- und herbewegt wer¬ den kann.
Somit ist durch die Zweiteilung des Ankers auch eine Zweitei- lung des Ablösevorganges aus einer stabilen Endposition verbunden. Insgesamt ist zur Ablösung des inneren Ankers eine geringe Energiemenge notwendig. Zur Ablösung des äußeren An¬ kers gilt Ähnliches, da der innere Anker bereits abgelöst ist und damit das wesentliche, durch die Permanentmagnete erzeug- te Magnetfeld aufgebrochen ist.
Im Folgenden wird anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren ein Ausführungsbeispiel be¬ schrieben. Es zeigen: einen bekannten Magnetaktor 7 mit einem Gehäuse, welches ein Joch 1 darstellt, sowie einem darin beweg¬ lichen Anker, einen Magnetaktor 7 entsprechend der Erfindung mit einem zweigeteilten Anker 21, 22, Figuren 3.1, 3.2, 3.3 in mehreren Stufen die Ablösung eines inneren Ankers 22 und des äuße¬ ren Ankers 21 aus der oberen bista¬ bilen Endlage. Figur 1 zeigt den Grundaufbau eines stabilen, elektromagneti¬ schen Linearaktors mit Permanentmagnet 5. Angedeutet sind ebenfalls Stromkreise zur Strommessung 6, die jeweils auf der oberen Aktorspule 3 und auf der unteren Aktorspule 4 geschal- tet sind. In diesem Fall würde zum Schalten des Aktors von der oberen in die untere Halteposition bzw. umgekehrt ein Aufbrechen von hohen Haltekräften in der vorherigen stabilen Halteposition notwendig sein. Hierzu wird die obere bzw. die untere Aktorspule entsprechend bestromt, sodass immer die ge¬ genüberliegende Spule den Anker aus einer bistabilen Lage he¬ rauszieht. Das Magnetfeld der Permanentmagnete wird dabei zu¬ erst überwunden. Um die notwendige Leistung, die im Regelfall nicht direkt aus einem Netz entnommen werden kann, für die Ablösung des Ankers aus einer bistabilen Endposition zu reduzieren, wird entsprechend der Erfindung ein Magnetaktor 7 mit geteiltem Anker 21, 22 beschrieben. Die in Figur 2 dargestellte Variante kann durch verschiedene Modifikationen abgewandelt werden und stellt lediglich ein einziges Ausführungsbeispiel dar.
Figur 2 zeigt insbesondere, dass ein etwa hohlzylinderförmi- ges Gehäuse, welches als Joch 1 dient, vorhanden ist, wobei beide geschlossenen Stirnseiten des hohlzylinderförmigen Gebildes einen zentralen Durchgang 8 aufweisen. Dieser dient zur Führung der Hubstange 9, für die ein Hub erzeugt wird. Im Inneren des hohlzylinderförmig ausgebildeten Jochs 1 befindet sich ein zweiteiliger Anker, bestehend aus einem inneren An- ker 22 und einem äußeren Anker 21, die gegenseitig bewegbar sind. Dabei bewegt sich der innere Anker 22 relativ zum äuße¬ ren Anker 21 und der äußere Anker 21 ist axial zwischen zwei stabilen Endpositionen im Gehäuse beweglich. Dazu ist der äußere Anker im mittleren Bereich im Querschnitt doppelt-T- förmig ausgebildet und trägt den inneren Anker 22 zwischen zwei stirnseitigen Anschlagelementen der doppel-T-förmigen Konstruktion. Der ringförmige Anker 22 umschließt den äußeren Anker 21 und ist relativ zu diesem axial bewegbar. Der äußere Aktor 21 ist einstückig ausgebildet mit der axial ausgerich- teten Hubstange 9, welche in den Durchgängen 8 geführt wird. Die Permanentmagnete 5 sind am äußeren Umfang des inneren An¬ kers 22 angeordnet. Wie in Figur 2 gezeigt, ist der äußere Anker 2 1 in der unteren Halteposition. Das heißt, die doppel-T-förmige Konstruktion liegt am unteren Ende des Jochs 1 an. Der innere Anker 22 weist noch einen Spalt zum äußeren Anker 2 1 auf. Im Nor- malfall ist in diesem Schaltzustand der innere Anker 2 2 im Anschlag mit dem unteren Anschlagteil der doppel-T-förmigen Konstruktion .
Die obere Aktorspule 3 und die untere Aktorspule 4 werden, je nach Notwendigkeit, geschaltet, wobei im Prinzip die jeweils gegenüberliegende Aktorspule den Anker aus der gegenüberliegenden bistabilen Endlage ablöst und in Richtung auf die bestromte Spule beschleunigt. Ein zu erwartender Schaltvorgang in der Darstellung der Figur 2 würde darin bestehen, dass die obere Aktorspule 3 bestromt wird und ein Magnetfeld aufbaut. Dies würde einen Hub der Hubstange 9 zur Folge haben, der aus dem Gehäuse nach oben bzw. außen gerichtet ist.
Die Figuren 3 . 1 , 3 . 2 und 3 . 3 stellen eine Abfolge der Bestro- mung bei einer Hubbewegung der Hubstange 9 dar. Dargestellt sind jeweils die Aktoren 7 , die aus einem hohlzylinderförmi- gen Joch mit entsprechend darin geführtem, zweigeteilten Anker aufgebaut sind. Sichtbar ist weiterhin die obere Aktorspule 3 und die untere Aktorspule 4 . In Figur 3 . 1 ist die Bestromung gleich Null. In der Figur 3 . 2 ist die untere Aktorspule 4 bestromt. Gleiches gilt für die Figur 3 . 3 , in der die untere Aktorspule 4 bestromt ist.
Von der Figur 3 . 1 bis zur Figur 3 . 3 ist somit ein Ablösevor- gang des inneren und des äußeren Ankers aus der oberen, stabilen Endposition bis zum Status des abgelösten, inneren und äußeren Ankers dargestellt.
In Figur 3 . 1 ist dargestellt, dass die Haltekraft F Q zusam- mengesetzt ist aus der Kraft F]_ zwischen dem äußeren Anker 2 1 und dem Joch 1 sowie der Kraft F2 vom inneren zum äußeren Anker. Die obere und die untere Aktorspule sind stromlos und das Magnetfeld zum Halten des Ankers in der stabilen Position im oberen Bereich wird durch die Permanentmagnete 5 gelie¬ fert .
Die Darstellung entsprechend Figur 3.2 ist mit einer bestrom- ten, unteren Aktorspule 4 verbunden, wobei der innere Anker 22 sich bereits vom oberen Teil der doppel-T-förmig ausgebildeten äußeren Ankers 21 gelöst hat. Der innere Anker 22 wandert, angezogen vom Magnetfeld der unteren Aktorspule 4, ent¬ sprechend seiner Beweglichkeit, innerhalb des äußeren Ankers 21 nach unten bis er auf den unteren Anschlag des doppel-T- förmig ausgebildeten äußeren Ankers (21) trifft.
Ist entsprechend Figur 3.2 der innere Anker vom äußeren Anker gelöst, so wirkt lediglich als obere Haltekraft FQ die Kraft F]_ zwischen äußerem Anker 21 und dem Joch 1.
Hat entsprechend Figur 3.3 der innere Anker 22 an der unteren Seite des äußeren Ankers 21 aufgesetzt, so löst sich dieser äußere Ankers 21 aus der oberen, stabilen Position, sodass keine nach oben gerichtete Haltekraft FQ mehr vorhanden ist. Entsprechend Figur 3.3 weisen der innere Anker 22 und der äu¬ ßere Anker 21 eine relative Positionierung auf, die bis zur unteren, stabilen Endstellung beibehalten wird. Beim Erreichen dieser stabilen Endstellung kann die Bestromung der unteren Aktorspule 4 aufgehoben werden und das Magnetfeld der Permanentmagneten 5 sorgt für die Fixierung in dieser stabilen Lage .
In Figur 3.1 ist die Grundkonfiguration zu sehen. Hier liegt kein Strom an. Der Magnetfluss des oder der Permanentmagnete 5 baut die Haltekraft sowohl zwischen innerem und äußerem Anker sowie auch zwischen äußerem Anker und dem Gehäuse bzw. dem Joch 1 auf. Die Haltekraft hält beispielsweise einen Leistungsschalter einer zu schaltenden Anlage, die über mechanische Stangen mit dem Magnetaktor verbunden ist. Somit lässt sich mit einem bistabilen Aktor genauso ein Schalter stabil in seinen Endlagen arretieren. In Figur 3.2 wird gezeigt, wie ein angelegter Strom in einer entsprechenden Aktorspule zunächst die Haltekraft des inneren Ankers zum äußeren aufhebt. Der innere Anker 22 trennt sich vom äußeren Anker 21 und wird nach unten beschleunigt. Erst wenn er, wie in Figur 3.3 dargestellt, am unteren Ende des äußeren Ankers 21 anliegt, verliert dieser äußere Anker 21 auch die Haltekraft und wird nach unten beschleunigt. Die Be¬ wegung des inneren Aktors hat damit den Fluss der Permanent¬ magnete vom oberen Haltepunkt aufgehoben und so die große Haltekraft des äußeren Ankers aufgehoben.
Der Kern der Erfindung liegt in der konstruktiven Teilung des Ankers in zwei Teile, einem inneren und einem äußeren Teil. Die zu aktuierende Mechanik, beispielsweise einer Schaltanla- ge, ist nur mit dem äußeren Anker 21 verbunden. Die Permanentmagnete sind dagegen am inneren Anker 22 befestigt. Der innere Anker hat mit dem äußeren Anker lediglich mechanischen und magnetischen Kontakt. Der äußere Anker wirkt mit dem Joch zusammen. Die Aufteilung des Ankers eines Magnetaktors in zwei Teile hat den wesentlichen Vorteil, dass der Anker mit wenig Energieaufwand zu schalten ist und dass diese Bewegung den Schaltvorgang oder Ablösevorgang aus einer stabilen Halteposition für den äußeren, größeren Anker ebenfalls vereinfacht. Die Umschaltung des Magnetflusses durch die anfängli- che Bewegung des inneren Aktors 22 ermöglicht eine besonders schnelle und energieeffiziente Aktuierung des bistabilen Magnetaktors .

Claims

Patentansprüche
1. Magnetaktor (7) zur Erzeugung einer linearen Bewegung, umfassend :
- ein hohlzylinderförmiges, geschlossenes Gehäuse, welches ein Joch (1) darstellt, mit jeweils einem zentralen Durchgang (8) an jeder Stirnseite des Gehäuses, zur Führung ei¬ ner Hubstange (9),
- einen zweigeteilten Anker mit einem äußeren und einem inne- ren Anker (21, 22), wobei
- der äußere Anker (21) einstückig mit der Hubstange (9), ausgebildet ist und über die Hubstange (9) mit einer zu schaltenden Anlage verbunden ist,
- der innere Anker (22), der den äußeren Anker (21) ringför- mig im Bereich des Gehäuses zumindest partiell umschließt, einen inneren Querschnitt aufweist, so dass innerer und äu¬ ßerer Anker (22,21) axial relativ zueinander zwischen Anschlägen am äußeren Anker (21) bewegbar sind, und
- die Anschläge zur Fixierung des äußeren Ankers (21) in ei- ner stabilen Lage im Gehäuse, am äußeren Ankers (21) vorhanden sind, und
- mindestens eine obere und mindestens eine untere Aktorspule (3, 4) zur jeweiligen Erzeugung eines Magnetfeldes zur Bewegung des Ankers in eine stabile Lage vorhanden sind.
2. Magnetaktor (7) nach Anspruch 1, wobei der Magnetaktor rotationssymmetrisch aufgebaut ist.
3. Magnetaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die mechanische Verbindung zwischen Magnetaktor (7) zu einer Mittelspannungs-Schaltanlage eine jeweils stabile End¬ stellung einstellbar ist.
4. Magnetaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung zwischen dem äu¬ ßeren und dem inneren Anker (21, 22) mit geringem Energieaufwand ausführbar ist.
5. Magnetaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer stabilen Endlage sowohl die Kraft zwischen innerem und äußerem Anker wie auch die zwischen äußerem Anker und Gehäuse bzw. Joch durch das Mag- netfeld der Permanentmagnete (5) aufgebaut ist.
6. Verfahren zum Betrieb eines Magnetaktors (7) nach einem der Ansprüche 1-5, wobei ein Schaltvorgang des Magnetaktors
(7), ausgehend von einer stabilen Endlage des Ankers bei ei- ner oberen und unteren Haltekraft (F0, Fu) durch die Bestro- mung der jeweils gegenüberliegenden Aktorspule (3, 4) und dem Aufbau eines damit verbundenen Magnetfeldes eingeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bestromung einer Aktorspule (3, 4) zunächst der innere
Anker (22) vom äußeren Anker (21) getrennt wird und in Richtung auf die aktivierte Aktorspule beschleunigt wird und in einem zweiten Schritt, wenn der innere Anker (22) auf einem gegenüberliegenden Anschlag des doppel-T-förmig ausgebildeten äußeren Ankers (21) auftrifft, die Haltekraft des äußeren An¬ kers (21) am Joch (1) überwunden wird und dieser ebenfalls in Richtung auf die aktivierte Aktorspule (3, 4) beschleunigt wird .
PCT/EP2012/065491 2011-08-31 2012-08-08 Magnetischer aktor und verfahren zu dessen betrieb WO2013029942A2 (de)

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