(19) |
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(11) |
EP 1 859 462 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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01.05.2013 Patentblatt 2013/18 |
(22) |
Anmeldetag: 14.03.2006 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP2006/060672 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 2006/097452 (21.09.2006 Gazette 2006/38) |
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(54) |
MAGNETISCHE BETÄTIGUNGSVORRICHTUNG
MAGNETIC ACTUATING DEVICE
DISPOSITIF D'ACTIONNEMENT MAGNETIQUE
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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CH DE FR GB IT LI SE |
(30) |
Priorität: |
16.03.2005 DE 102005013197
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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28.11.2007 Patentblatt 2007/48 |
(73) |
Patentinhaber: Siemens Aktiengesellschaft |
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80333 München (DE) |
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(72) |
Erfinder: |
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- HAGEN, Jörg
10243 Berlin (DE)
- PROTZE, Carsten
01307 Dresden (DE)
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(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 867 903 DE-U- 1 954 096
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EP-A- 1 416 503 US-A1- 2004 164 828
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft eine magnetische Betätigungsvorrichtung mit einem Bezugselement,
einem zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung relativ zum
Bezugselement beweglich angeordneten Stellglied, wobei das Bezugselement und/oder
das Stellglied magnetisierbares Material aufweist, einer Antriebsspule zum Erzeugen
eines das Stellglied von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegenden
Magnetfeldes, einer mechanischen Spannvorrichtung zum Vorhalten von mechanischer Energie,
mit der das Stellglied von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung zu bringen
ist, und einer einen Permanentmagneten aufweisenden Fixiereinrichtung zum Erzeugen
einer das Stellglied relativ zum Bezugselement in der zweiten Endstellung fixierenden
Haltekraft, wobei die Fixiereinrichtung eine den Permanentmagneten enthaltende, vom
Stellglied getrennte Fixiereinheit umfasst.
[0002] Eine derartige magnetische Betätigungsvorrichtung wird vorzugsweise zur Betätigung
eines Hochspannungs- bzw. Leistungsschalters eingesetzt. Aus der
EP 0 867 903 B1 ist eine solche Betätigungsvorrichtung bekannt. Diese ist darauf ausgelegt, einen
Vakuumschalter zur Unterbrechung eines Hochspannungsstromkreises zu betätigen. Bei
dieser Betätigungsvorrichtung wird das Stellglied gegen eine Rückstellkraft von Schraubenfedern
mittels eines Elektromagneten von einer Ausschaltstellung in eine Einschaltstellung
bewegt. In der Einschaltstellung ist dann der Vakuumschalter geschlossen, d.h. ein
bewegliches Kontaktteil des Vakuumschalters kontaktiert ein festes Kontaktteil des
Schalters. Am Stellglied befindet sich weiterhin ein Permanentmagnet, dessen Magnetfeld
in Bewegungsrichtung des Stellgliedes wirkt. In der Einschaltstellung hält diese permanentmagnetische
Kraft das Stellglied gegen die Rückstellwirkung der Schraubenfedern fest. Die vom
Permanentmagneten aufzubringende Kraft ist daher sehr groß, wodurch ein entsprechend
groß dimensionierter Permanentmagnet an dem Stellglied angebracht werden muss.
[0003] Die
DE 103 09 697 offenbart einen magnetischen Linearantrieb, die einen Eisenkern sowie eine Spule
aufweist. Einem bewegbaren Anker ist ein Joch sowie ein Permanentmagnet zugeordnet.
In einer ersten Endposition des Ankers wird dieser aufgrund von von dem Permanentmagneten
erzeugten magnetischen Haltekräften und einem einen Spalt in dem Eisenkern überbrückenden
Joch gehalten.
[0004] Bei einer weiteren im Stand der Technik bekannten magnetischen Betätigungsvorrichtung
wird das Stellglied mittels mechanischer Verklinkung in den Endstellungen festgehalten.
D.h. die mechanische Verklinkung sorgt für eine Haltekraft in Bewegungsrichtung des
Stellgliedes. Eine derartige mechanische Verklinkung ist allerdings in der Praxis
nicht immer verlässlich und zudem verschleißanfällig, wodurch erhebliche Kosten entstehen.
[0005] Aus der Veröffentlichungsschrift
US 2004/0164828 A1 ist eine magnetische Betätigungsvorrichtung bekannt, welche eine Fixiereinrichtung
mit einem Permanentmagneten aufweist. Der Permanentmagnet ist dabei an dem Bezugselement
angeordnet. Die von dem Permanentmagneten ausgehende Magnetkraft wird genutzt, um
das dortige Stellglied in einer Endlage zu halten. Aufgrund der vorgeschlagenen Konstruktion
ist zur Bewirkung einer verlässlichen Fixierung des Stellgliedes in einer Endstellung
eine hohe Magnetkraft nötig. Zu einer Herauslösung des Stellgliedes aus der fixierten
Endlage ist eine Antriebsspule zu bestromen. Eine hohe Magnetkraft zum fixieren des
Stellgliedes erfordert eine starke Bestromung der Antriebsspule, um die Fixierung
aufzuheben. Ein hoher Energiebedarf zur Lösung des Stellgliedes aus der fixierten
Endlage ist jedoch unerwünscht.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Schaltvorrichtung mit
einer kompakt gestalteten magnetischen Betätigungsvorrichtung bereitzustellen, bei
der eine Fixierung des Stellgliedes in der zweiten Endstellung verlässlich realisierbar
ist und trotz verlässlicher Fixierung eine Aufhebung der Fixierung mit geringem Energiebedarf
möglich ist.
[0007] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer gattungsgemäßen Betätigungsvorrichtung
dadurch gelöst, dass das Bezugselement mit dem Stellglied über eine Hebelanordnung
gekoppelt ist, welche zum Umwandeln einer vom Stellglied auf die Hebelanordnung in
Bewegungsrichtung des Stellgliedes ausgeübten Kraft in eine quer dazu wirkende Kraft
kleineren Betrags gestaltet ist.
[0008] Durch das Vorsehen einer vom Stellglied getrennten Fixiereinheit mit dem Permanentmagneten,
muss am Stellglied kein Permanentmagnet mehr angebracht werden, wodurch das Stellglied
wesentlich kompakter ausgeführt sein kann. Das Bezugselement, das in der Regel das
Stellglied umgibt, kann damit dementsprechend in seiner Dimensionierung verringert
werden. Damit kann die magnetische Betätigungsvorrichtung insgesamt kompakter ausgeführt
werden, gleichzeitig ist aber eine Fixierung des Stellglieds in der zweiten Endstellung
verlässlich realisierbar.
[0009] In vorteilhafter Ausführungsform ist die Fixiereinheit vom Bezugselement getrennt
angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung der vom Bezugselement
und dem Stellelement gebildeten Baueinheit der magnetischen Betätigungsvorrichtung.
[0010] In zweckmäßiger Ausführungsform weist sowohl das Bezugselement als auch das Stellglied
magnetisierbares Material, insbesondere ferromagnetisches Material auf. Damit kann
das von der Antriebsspule erzeugte Magnetfeld sowohl an dem Bezugselement als auch
an dem Stellglied zum Bewegen des Stellgliedes von der ersten Endstellung in die zweite
Endstellung angreifen.
[0011] Vorteilhafterweise wirkt die von der Fixiereinrichtung erzeugte magnetische Haltekraft
quer zur Bewegungsrichtung des Stellgliedes. Damit ist eine technisch besonders vorteilhafte
Fixierung des Stellgliedes möglich. Bei Verwendung einer geeigneten Kraftübertragungseinrichtung
ist dann nämlich die zur Festlegung des Stellglieds benötigte Haltekraft klein gegenüber
einer das Stellglied aus der Feststellposition drängenden Kraft in Bewegungsrichtung
des Stellgliedes. Aufgrund des relativ geringen Betrags der zum Halten des Stellgliedes
benötigten Kraft lässt sich die Fixierung verlässlich realisieren. Auch ist zur Lösung
des Stellgliedes aus der Fixierung nur ein entsprechend kleiner Kraftaufwand nötig.
Weiterhin entstehen durch das Aufrechterhalten der Feststellung keine großen Kosten,
da nur eine vergleichsweise geringe Haltekraft aufgebracht werden muss. Auch bedingt
die geringe Haltekraft kaum Verschleiß der mit ihr beaufschlagten Bauteile, wodurch
auch die Wartungskosten verringert werden.
[0012] Es ist besonders wichtig, eine verlässliche Feststellung des Leistungsschalters in
der Stromflussstellung sicherzustellen, um unnötige Stromunterbrechungen zu vermeiden.
Daher ist es zweckmäßig, wenn in der zweiten Endstellung des Stellgliedes ein vom
Stellglied betätigter Schalter eine leitende Verbindung herstellt. In dieser zweiten
Endstellung befindet sich damit der Schalter in einer so genannten "Ein-Stellung".
Neben der "Ein-Stellung" ist lediglich eine "Aus-Stellung" des Schalters zulässig.
In der "Aus-Stellung" des Schalters befindet sich das Stellglied in der von der mechanischen
Spannvorrichtung verbrachten ersten Endstellung.
[0013] Weiterhin ist das Bezugselement mit dem Stellglied über eine Hebelanordnung gekoppelt
welche zum Umwandeln einer vom Stellglied auf die Hebelanordnung in Bewegungsrichtung
des Stellgliedes ausgeübten Kraft in eine quer dazu wirkende Kraft kleineren Betrags
gestaltet ist. Damit kann das Stellglied auf technisch besonders einfache und verlässliche
Weise unter Inanspruchnahme einer im Vergleich zu einer am Stellglied anliegenden
Rückstellkraft kleineren Haltekraft in der zweiten Endstellstellung gehalten werden.
Dadurch lassen sich die Bereitstellungskosten für die Haltekraft verringern, sowie
ein Verschleiß der Bauteile, an denen die Haltekraft angreift, weitgehend vermeiden.
[0014] In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform weist die Hebelanordnung einen drehbar
an dem Bezugselement befestigbaren ersten Hebel sowie einen drehbar an dem Stellglied
befestigbaren zweiten Hebel auf, wobei insbesondere der erste Hebel und der zweite
Hebel über ein Drehgelenk miteinander verbunden sind. Mit einer solchen Hebelanordnung
wird eine technisch besonders einfache und verlässliche Realisierung einer Kraftübertragungsvorrichtung
einer in Bewegungsrichtung des Stellgliedes wirkenden Kraft in eine Kraft geringeren
Betrags quer zur Bewegungsrichtung erreicht. Eine derartige Hebelanordnung stellt
ein Hebelgetriebe dar, mit welchem eine Kraftübersetzung von z.B. einem Faktor 10
realisiert werden kann. Das heißt, die zum Festhalten des Stellglieds in der vorgesehenen
Feststellstellung benötigte Haltekraft kann z.B. um den Faktor 10 kleiner sein als
eine an dem Stellglied anliegende Rückstellkraft einer Rückstellfeder.
[0015] Damit das Stellglied auf besonders einfache Weise in der vorgesehenen Feststellstellung
gehalten werden kann, ist vorzugsweise das Drehgelenk zur Verbindung der Hebel mit
einem ein magnetisierbares Material aufweisenden Halteelement gekoppelt. Dieses magnetisierbare
Material kann insbesondere ferromagnetisches Material sein. Ein zur Fixierung des
Halteelements vorgesehenes Magnetfeld magnetisiert ein solches Halteelement und übt
eine entsprechende magnetische Haltekraft darauf aus.
[0016] Zweckmäßigerweise dient das vom Permanentmagneten der Fixiereinrichtung ausgehende
Magnetfeld dazu, das Halteelement an der Fixiereinrichtung, welche insbesondere relativ
zum Bezugselement feststeht, festzulegen. Damit lässt sich auf technisch besonders
einfache und verlässliche Weise die Feststellung des Stellgliedes in der vorgesehenen
Stellung realisieren.
[0017] Um eine besonders verlässliche und stabile Fixierung des Halteelements an der Fixiereinrichtung
sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn die Fixiereinrichtung und das Halteelement
in der Stellung, in der das Halteelement an der Fixiereinrichtung festgelegt ist,
Teile eines geschlossenen Eisenkreises bilden. D.h., das Halteelement schließt eine
offene Stelle eines magnetischen Eisenkreises. Damit ergeben sich eine oder zwei Halteflächen
zwischen der Fixiereinrichtung und dem Halteelement. Letzteres erhöht die Stabilität
bzw. Haltekraft der Fixierung. Vorzugsweise ist auch ein zweites Halteelement vorgesehen.
In diesem Fall können die beiden Halteelemente durch beidseitiges Anlegen an zwei
voneinander beabstandet angeordneten Eisenteile einen Eisenkreis vervollständigen,
wobei eines der Eisenteile ein Magnetfeld erzeugendes Element, wie etwa einen Permanentmagneten
enthält. In dem Fall von zwei Halteelementen ergeben sich damit vier Halteflächen
für die Halteelemente an der von den Eisenteilen gebildeten Fixiereinrichtung, was
eine besonders stabile Fixierung ermöglicht.
[0018] In einer darüber hinaus zweckmäßigen Ausführungsform umfasst die mechanische Spanneinrichtung
eine Rückstellfeder. Damit kann in einem Fall, in dem eine Stromabschaltung des Hochspannungsstromkreises
notwendig wird, der Leistungsschalter auf verlässliche Weise getrennt werden, nachdem
das Halteelement aus der Feststellposition gelöst wurde.
[0019] Um eine Lösung des Stellgliedes aus der Feststellstellung mit minimalem Energieaufwand
bewerkstelligen zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Fixiereinrichtung weiterhin
eine magnetische Trennspule aufweist, mittels welcher ein Gegenmagnetfeld erzeugbar
ist, welches der vom Permanentmagneten erzeugten Haltekraft entgegenwirkt. Wird nun
das Gegenmagnetfeld mittels der magnetischen Trennspule erzeugt, so verringert sich
die Haltekraft in einem solchen Maße, dass die Kraft etwa einer Rückstellfeder die
Haltekraft übersteigt. Als Folge davon bewegt sich das Halteelement von der Fixiereinrichtung
weg. Da die Stärke des Haltemagnetfelds mit größer werdendem Abstand des Halteelementes
von der Fixiereinrichtung stark abnimmt, kann die magnetische Trennspule schnell wieder
abgeschaltet werden, sobald das Halteelement einen geeigneten Abstand von der Fixiereinrichtung
aufweist. Daraufhin bewegt sich das Stellglied selbst bei abgeschalteter Trennspule
durch die Kraft der Rückstellfeder automatisch in die entgegengesetzte Endstellung,
insbesondere in die Ausschaltstellung zurück. Da die Trennspule zum Ausschalten des
Schalters nur kurzzeitig betrieben werden muss, ist dafür auch nur ein geringer Energieaufwand
notwendig, der gegebenenfalls von einem entsprechend ausgelegten Kondensator bereitgestellt
werden kann.
[0020] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung
anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine teilweise Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung mit einem
in einer Ausschaltstellung befindlichen Stellglied,
- Fig. 2
- eine teilweise Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung gemäß
Fig. 1, bei der das Stellglied sich in einer Einschaltstellung befindet,
- Fig. 3
- eine Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Betätigungsvorrichtung mit einer gegenüber
der Schnittebene der Fig. 1 um 90° gedrehten Schnittebene,
- Fig. 4
- eine Schnittansicht der in Fig. 2 gezeigten Betätigungsvorrichtung mit einer gegenüber
der Schnittebene der Fig. 2 um 90° gedrehten Schnittebene, sowie
- Fig. 5
- eine schematische Veranschaulichung der an einer Hebelanordnung der erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung anliegenden Kräfte.
[0021] In den Figuren 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße magnetische Betätigungsvorrichtung
zur Betätigung eines Hochspannungsschalters in einer ersten Schnittansicht dargestellt.
Darin ist ein elektromagnetischer Tauchankerantrieb zu sehen, welcher ein als Stator
ausgebildetes Bezugselement 1 aus ferromagnetischem Material, eine als Einschaltspule
dienende magnetische Antriebsspule 2 sowie ein als Anker ausgebildetes Stellglied
3 aus ferromagnetischem Material aufweist. Dabei ist das bezüglich einer durch einen
Stellstab 3a verlaufenden Achse rotationssymmetrische Stellglied 3 innerhalb einer
an die Gestalt des Stellgliedes 3 angepassten Ausnehmung des Bezugselementes zwischen
einer in der Zeichnung tiefer gelegenen Ausschaltstellung und einer höher gelegenen
Einschaltstellung hin und her bewegbar.
[0022] Das Bezugselement 1 und das Stellglied 3 weisen einander entsprechende schräge, vom
magnetischen Fluss der Antriebsspule 2 durchsetzte Anker- und Statorflächen auf. Diese
Geometrie ermöglicht es, die von der magnetischen Antriebsspule 2 erzeugte Magnetkraft
optimal zu nutzen, insbesondere bei großem Abstand der Stator- und Ankerflächen zueinander.
[0023] Figur 1 zeigt das Stellglied 3 in der Ausschaltstellung. In dieser Stellung sind
Kontaktelemente des über den Stellstab 3a betätigten Hochspannungsschalters getrennt.
Das Stellglied 3 besteht aus ferromagnetischem Material und kann mittels der als Einschaltspule
dienenden magnetischen Antriebsspule 2 in die in Figur 2 dargestellte Einschaltstellung
verschoben werden. In dieser Stellung bleibt ein kleiner Spalt zwischen den schrägen
Flächen des Bezugselements 1 und des Stellglieds 3 bestehen, um eine mechanische Verschweißung
der beiden Elemente zu verhindern.
[0024] Beim Einschaltvorgang werden zwei jeweils zwischen dem Stellglied 3 und dem Bezugselement
1 angeordnete Rückstellfedern 4 bzw. 4' komprimiert und damit unter Spannung gesetzt.
Die Rückstellfedern 4 und 4' erfüllen die Funktion von Ausschaltfedern, da die von
ihnen in der Einschaltstellung auf das Stellglied 3 ausgeübte Rückstellkraft das Stellglied
3 wieder in die Ausschaltstellung zurückdrängt. Dabei sind die Rückstellfedern 4 und
4' so dimensioniert, dass die in Abhängigkeit des vom Hochspannungsschalter auszuschaltenden
Stroms wirkenden Gasgegenkräfte überwunden werden können. Da die Ausschaltkraft nur
vom Weg abhängig ist, ist sie unabhängig von der Dauer der Gegenkräfte. Vorzugsweise
werden die Rückstellfedern 4, 4' nach der Ausschaltbewegung bei maximalen Gegenkräften
ausgelegt.
[0025] In der Einschaltstellung liegt das vom Stellstab 3a betätigte Kontaktelement des
Hochspannungsschalters an dem feststehenden Kontaktelement desselben an, wodurch der
Hochspannungsschalter geschlossen ist. Das in den Figuren 1 und 2 unterbrochen dargestellte
Rechteck ist eine schematische Andeutung einer in den Figuren 3 und 4 in bezüglich
der Schnittebene der Figuren 1 und 2 um 90° gedrehter Schnittebene dargestellten Fixiereinrichtung
16.
[0026] Die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Fixiereinrichtung 16 besteht aus einem offenen
Eisenkreis 5, einem Permanentmagneten 6 sowie einer magnetischen Trennspule 15. Der
offene Eisenkreis besteht aus drei vorzugsweise feststehenden einzelnen Eisenteilen
5a, 5b und 5c. Das erste Eisenteil 5a und das zweite Eisenteil 5b sind miteinander
über den Permanentmagneten 6 verbunden, während ein drittes Eisenteil 5c bezüglich
der ersten beiden Eisenteile 5a und 5b nach oben versetzt angeordnet ist. Dieses dritte
Eisenteil 5c ist von der magnetischen Trennspule umgeben.
[0027] Werden nun zwei aus ferromagnetischem Material bzw. Eisen gebildete Halteelemente
7, 7', wie in Figur 4 dargestellt, an die seitlichen Anlageflächen des offenen Eisenkreises
5 angelegt, bildet sich aus dem offenen Eisenkreis 5 und den Halteelementen 7 bzw.
7' ein geschlossener Eisenkreis aus. Die durch den Permanentmagneten 6 erzeugten magnetischen
Feldlinien verlaufen nun im geschlossenen Eisenkreis und bilden damit einen geschlossenen
Magnetfeldkreis. In dem vorliegenden magnetischen Eisenkreis werden die Halteelemente
7 und 7' an jeweils zwei Stellen, nämlichen ihren jeweiligen Kontaktflächen mit den
beiden Eisenteilen 5b und 5c an der Fixiereinrichtung 16 festgehalten. Durch die Aufteilung
der vom permanentmagnetischen Fluss hervorgerufenen permanentmagnetischen Haltekraft
auf vier in Reihe geschaltete Halteflächen im geschlossenen Eisenkreis erfolgt eine
mehrfache Ausnutzung des magnetischen Flusses, wodurch das benötigte Magnetvolumen
reduziert werden kann.
[0028] Die beiden Halteelemente 7 und 7' sind jeweils an einer als Hebelgetriebe ausgebildeten
Hebelanordnung 8 bzw. 8' angeordnet. Die beiden Hebelanordnungen 8 bzw. 8' weisen
jeweils einen ersten Hebel 9 bzw. 9' sowie einen damit über ein Hebelverbindungsgelenk
13 bzw. 13' verbundenen zweiten Hebel 10 bzw. 10' auf. Die ersten Hebel 9 bzw. 9'
sind jeweils mit dem Bezugselement 1 über ein erstes Drehgelenk 11 bzw. 11' verbunden.
Die zweiten Hebel 10 bzw. 10' sind jeweils über ein zweites Drehgelenk 12 bzw. 12'
mit dem Stellglied 3 verbunden. Dabei befindet sich die erste Hebelanordnung 8 in
der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schnittansicht links bezüglich der Fixiereinrichtung
16 und die zweite Hebelanordnung 8' rechts davon. Die Halteelemente 7 bzw. 7' sind
jeweils an dem zugehörigen Hebelverbindungsgelenk 13 bzw. 13' befestigt.
[0029] Wird nun das Stellglied 3 von der in Figur 3 gezeigten Ausschaltstellung mittels
der magnetischen Antriebsspule 2 in die in Fig. 4 gezeigte Einschaltstellung bewegt,
so bewegen sich die Halteelemente 7 bzw. 7' auf die Fixiereinrichtung 16 zu. In der
Einschaltstellung liegen die Halteelemente 7 bzw. 7' an den jeweiligen Anlageflächen
des offenen Eisenkreises 5 an und werden durch die vom Permanentmagneten 6 erzeugte
Magnetkraft daran festgehalten. Diese magnetische Haltekraft 14 bzw. 14' reicht aus,
um das Stellglied 3 gegen die Rückstellkraft der Rückstellfedern 4 bzw. 4' in der
Einschaltstellung zu halten. Dabei ist zu beachten, dass dazu aufgrund der Kraftübersetzung
durch die Hebelanordnung 8 bzw. 8' eine im Vergleich zur Kraft der Rückstellfedern
4 bzw. 4' kleinere Haltekraft 14 bzw. 14' ausreicht. Bei der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung
kann die Haltekraft 14 bzw. 14' z.B. um einen Faktor 10 kleiner sein als die Rückstellkraft
der Rückstellfedern 4 bzw. 4'.
[0030] Figur 5 zeigt die Kraftübersetzung durch die Hebelanordnung 8' in der in Figur 4
dargestellten Einschaltstellung. Dabei verhält sich eine am ersten Drehgelenk 12'
der Hebelanordnung in Bewegungsrichtung des Stellgliedes 3 anliegende Kraft F2 zu
einer am Hebelverbindungsgelenk 13' senkrecht zur Kraft F2 wirkenden Kraft F1 wie
folgt:
wobei α
1 der Außenwinkel zwischen der Richtung der Kraft F2 und der Richtung des ersten Hebels
9' ist sowie α
2 der Außenwinkel zwischen der Richtung der Kraft F2 und der Richtung des zweiten Hebels
10' ist.
[0031] Soll nun das Stellglied 3 von der in Figur 4 gezeigten Einschaltstellung in die in
Figur 3 gezeigte Ausschaltstellung verschoben werden, so wird mittels der magnetischen
Trennspule 15 ein Magnetfeld erzeugt, das entgegengesetzt zu dem im geschlossenen
Eisenkreis vom Permanentmagnet 6 erzeugten Magnetfeld gerichtet ist. Damit wird die
magnetische Haltekraft 14 bzw. 14' derart reduziert, dass die von den Rückstellfedern
4 und 4' auf das Stellglied ausgeübte Rückstellkraft ausreicht, um das Stellglied
3 in die Ausschaltstellung zurückzuführen. Aufgrund des zunehmenden Abstandes zwischen
den Halteelementen 7, 7' und der Fixiereinrichtung 16 überwiegt die Rückstellkraft
im weiteren Verlauf des Ausschaltvorgangs auch ohne bestromte Trennspule 15 die Haltekraft,
so dass der Ausschaltvorgang dann alleine von den Rückstellfedern 4, 4' getrieben
wird. Durch einen nicht dargestellten äußeren Anschlag und einen Dämpfer wird die
Ausschaltbewegung begrenzt und gedämpft.
[0032] Die beschriebene Betätigungsvorrichtung stellt einen elektromagnetischen Antrieb
mit großem Hub dar, bei der die Ausschaltenergie in der Rückstellfeder vorgehalten
wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht für eine so genannte OCO-Schaltfolge eine reduzierte
Vorhaltung von elektrischer Energie. Wie dargestellt, erfolgt in der Einschaltstellung
eine permanentmagnetische Lagefixierung, wohingegen in der Ausschaltstellung eine
mechanische Lagefixierung aufgrund der Vorspannung der Rückstellfedern erfolgt. Die
Einschaltstellung und die Ausschaltstellung sind die beiden einzigen stabilen Stellungen
der Betätigungsvorrichtung.
[0033] Vor der OCO-Schaltfolge befindet sich die Betätigungsvorrichtung in der Einschaltstellung,
wodurch die Energie für die erste Ausschaltung bereits in den Rückstellfedern gespeichert
ist. Die Energie für die zweite Ausschaltung wird dem System während der Einschaltung
zugeführt (Rückstellfedern werden gespannt). Für eine OCO-Schaltfolge muss daher nur
die Energie für eine Einschaltung vorgehalten werden (z.B. in Kondensatoren), wobei
diese Energie dem Energiebedarf des Systems für eine Ein- und Ausschaltung entspricht,
da die Rückstellfedern während der Einschaltung gespannt werden. Im Vergleich zu elektromagnetischen
Antrieben ohne mechanische Energiespeicher, wie etwa Federn, wird bei der erfindungsgemäßen
Betätigungsvorrichtung das Vorhalten der Energie für die erste Ausschaltung eingespart.
Bezugszeichenliste
[0034]
- 1
- Bezugselement
- 2
- magnetische Antriebsspule
- 3
- Stellglied
- 3a
- Stellstab
- 4
- erste Rückstellfeder
- 4'
- zweite Rückstellfeder
- 5
- offener Eisenkreis
- 5a
- erstes Eisenteil
- 5b
- zweites Eisenteil
- 5c
- drittes Eisenteil
- 6
- Permanentmagnet
- 7
- erstes Haltelement
- 7'
- zweites Haltelement
- 8
- erste Hebelanordnung
- 8'
- zweite Hebelanordnung
- 9
- erster Hebel der ersten Hebelanordnung
- 9'
- erster Hebel der zweiten Hebelanordnung
- 10
- zweiter Hebel der ersten Hebelanordnung
- 10'
- zweiter Hebel der ersten Hebelanordnung
- 11
- erstes Drehgelenk der ersten Hebelanordnung
- 11'
- erstes Drehgelenk der zweiten Hebelanordnung
- 12
- zweites Drehgelenk der ersten Hebelanordnung
- 12'
- zweites Drehgelenk der zweiten Hebelanordnung
- 13
- Hebelverbindungsgelenk der ersten Hebelanordnung
- 13'
- Hebelverbindungsgelenk der zweiten Hebelanordnung
- 14
- Haltekraft am ersten Halteelement
- 14'
- Haltekraft am zweiten Halteelement
- 15
- magnetische Trennspule
- 16
- Fixiereinrichtung
1. Magnetische Betätigungsvorrichtung mit
- einem Bezugselement (1)
- einem zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung relativ zum
Bezugselement (1) beweglich angeordneten Stellglied (3), wobei das Bezugselement (1)
und/oder das Stellglied (3) magnetisierbares Material aufweist,
- einer Antriebsspule (2) zum Erzeugen eines das Stellglied (3) von der ersten Endstellung
in die zweite Endstellung bewegenden Magnetfeldes,
- einer mechanischen Spannvorrichtung (4, 4') zum Vorhalten von mechanischer Energie,
mit der das Stellglied (3) von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung zu
bringen ist, und
- einer einen Permanentmagneten (6) aufweisenden Fixiereinrichtung (16) zum Erzeugen
einer das Stellglied (3) relativ zum Bezugselement (1) in der zweiten Endstellung
fixierenden Haltekraft, wobei
die Fixiereinrichtung (16) eine den Permanentmagneten (6) enthaltende, vom Stellglied
(3) getrennte Fixiereinheit (5) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bezugselement (1) mit dem Stellglied (3) über eine Hebelanordnung (8, 8') gekoppelt
ist, welche zum Umwandeln einer vom Stellglied (3) auf die Hebelanordnung (8, 8')
in Bewegungsrichtung des Stellgliedes (3) ausgeübten Kraft (F2) in eine quer dazu
wirkende Kraft (F1) kleineren Betrags gestaltet ist.
2. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fixiereinheit (5) vom Bezugselement (1) getrennt angeordnet ist.
3. Magnetische Beläligungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnete, dass
sowohl das Bezugselement (1) als auch das Stellglied (3) magnetisierbares Material,
insbesondere ferromagnetisches Material aufweist.
4. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Fixiereinrichtung (16) erzeugte magnetische Haltekraft quer zur Bewegungsrichtung
des Stellgliedes (3) wirkt.
5. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der zweiten Endstellung des Stellgliedes (3) ein vom Stellglied (3) betätigter
Schalter eine leitende Verbindung herstellt.
6. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hebelanordnung einen drehbar an dem Bezugselement (1) befestigbaren ersten Hebel
(9, 9') sowie einen drehbar an dem Stellglied (3) befestigbaren zweiten Hebel (10,
10') aufweist, wobei insbesondere der erste Hebel (9, 9') und der zweite Hebel (10,
10') über ein Drehgelenk (13, 13') miteinander verbunden sind.
7. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drehgelenk (13, 13') zur Verbindung der beiden Hebel (9, 9', 10, 10') mit einem
ein magnetisierbares Material aufweisenden Halteelement (7, 7') gekoppelt ist.
8. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vom Permanentmagneten (6) der Fixiereinrichtung (16) ausgehende Magnetfeld dazu
dient das Halteelement (7, 7') an der Fixiereinrichtung (16), welche insbesondere
relativ zum Bezugselement (1) feststeht, festzulegen.
9. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fixiereinrichtung (16) und das Halteelement (7, 7') in der Stellung, in der das
Halteelement (7, 7') an der Fixiereinrichtung (16) festgelegt ist, Teile eines geschlossenen
Eisenkreises bilden.
10. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Spanneinrichtung (4, 4') eine Rückstellfeder umfasst.
11. Magnetische Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fixiereinrichtung (16) weiterhin eine magnetische Trennspule (15) aufweist, mittels
welcher ein Gegenmagnetfeld erzeugbar ist, welches der vom Permanentmagneten erzeugten
Haltekraft entgegenwirkt.
1. Magnetic actuating device having
- a reference element (1)
- an actuating element (3) which is arranged such that it can move relative to the
reference element (1) between a first limit position and a second limit position,
with the reference element (1) and/or the actuating element (3) being composed of
magnetic material,
- a drive coil (2) for production of a magnetic field which moves the actuating element
(3) from the first limit position to the second limit position,
- a mechanical tensioning apparatus (4, 4') for storage of mechanical energy by means
of which the actuating element (3) can be moved from the second limit position to
the first limit position, and
- a fixing device (16), which has a permanent magnet (6) for production of a holding
force which fixes the actuating element (3) in the second limit position relative
to the reference element (1),
the fixing device (16) comprising a fixing unit (5), which contains the permanent
magnet (6) and is separate from the actuating element (3),
characterized in that
the reference element (1) is coupled to the actuating element (3) via a lever arrangement
(8, 8') which is designed to convert a force (F2) which is exerted by the actuating
element (3) on the lever arrangement (8, 8') in the movement direction of the actuating
element (3) to a force (F1) which acts transversely with respect to this and whose
magnitude is less.
2. Magnetic actuating device according to Claim 1,
characterized in that
the fixing unit (5) is arranged separately from the reference element (1).
3. Magnetic actuating device according to Claim 1 or 2,
characterized in that
both the reference element (1) and the actuating element (3) are composed of magnetic
material, in particular ferromagnetic material.
4. Magnetic actuating device according to one of the preceding claims,
characterized in that
the magnetic holding force produced by the fixing device (16) acts transversely with
respect to the movement direction of the actuating element (3).
5. Magnetic actuating device according to one of the preceding claims,
characterized in that,
when the actuating element (3) is in the second limit position, a switch which is
operated by the actuating element (3) produces a conductive connection.
6. Magnetic actuating device according to Claim 1,
characterized in that
the lever arrangement has a first lever (9, 9'), which can be attached to the reference
element (1) such that it can rotate, as well as a second lever (10, 10'), which can
be attached to the actuating element (3) such that it can rotate, in particular with
the first lever (9, 9') and the second lever (10, 10') being connected to one another
via a rotating joint (13, 13').
7. Magnetic actuating device according to Claim 6,
characterized in that
the rotating joint (13, 13') is coupled to a holding element (7, 7'), which is composed
of a magnetic material, in order to connect the two levers (9, 9', 10, 10').
8. Magnetic actuating device according to Claim 7,
characterized in that
the magnetic field which originates from the permanent magnet (6) of the fixing device
(16) is used to fix the holding element (7, 7') on the fixing device (16) which, in
particular, is fixed relative to the reference element (1).
9. Magnetic actuating device according to Claim 7 or 8,
characterized in that
the fixing device (16) and the holding element (7, 7') form parts of a closed iron
circuit in the position in which the holding element (7, 7') is fixed on the fixing
device (16).
10. Magnetic actuating device according to one of the preceding claims,
characterized in that
the mechanical tensioning device (4, 4') has a reset spring.
11. Magnetic actuating device according to one of Claims 6 to 9,
characterized in that
the fixing device (16) also has a magnetic disconnection coil (15), by means of which
an opposing magnetic field can be produced, which counteracts the holding force produced
by the permanent magnet.
1. Dispositif d'actionnement mécanique comprenant :
- un élément (1) de référence,
- un actionneur (3) monté mobile par rapport à l'élément (1) de référence entre une
première position d'extrémité et une deuxième position d'extrémité, l'élément (1)
de référence et/ou l'actionneur (3) comportant du matériau magnétisable,
- une bobine (2) d'entraînement pour la production d'un champ magnétique déplaçant
l'actionneur (3) de la première position d'extrémité à la deuxième position d'extrémité,
- un dispositif (4, 4') mécanique de tension pour fournir de l'énergie mécanique,
par lequel on peut faire passer l'actionneur (3) de la deuxième position d'extrémité
à la première position d'extrémité, et
- un dispositif (16) d'immobilisation ayant un aimant (6) permanent et destiné à produire
une force de maintien immobilisant, dans la deuxième position d'extrémité, l'actionneur
(3) par rapport à l'élément (1) de référence, dans lequel
le dispositif (16) d'immobilisation comprend une unité (5) d'immobilisation comportant
l'aimant (6) permanent et distincte de l'actionneur (3),
caractérisé en ce que
l'élément (1) de référence est couplé à l'actionneur (3) par un agencement (8, 8')
à levier, qui est conformé pour la transformation d'une force (F2) appliquée par l'actionneur
(3) à l'agencement (8, 8') de levier dans la direction de déplacement de l'actionneur
(3) en une force (F1) agissant transversalement à celle-ci et de valeur absolue plus
petite.
2. Dispositif d'actionnement mécanique suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'unité (5) d'immobilisation est montée séparément de l'élément (1) de référence.
3. Dispositif d'actionnement mécanique suivant la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
à la fois l'élément (1) de référence et l'actionneur (3) comportent du matériau magnétisable,
notamment du matériau ferromagnétique.
4. Dispositif d'actionnement mécanique suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la force magnétique de maintien produite par le dispositif (16) d'immobilisation agit
transversalement à la direction de déplacement de l'actionneur (3).
5. Dispositif d'actionnement mécanique suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
dans la deuxième position d'extrémité de l'actionneur (3), un commutateur actionné
par l'actionneur (3) ménage une liaison conductrice.
6. Dispositif d'actionnement mécanique suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'agencement de levier a un premier levier (9, 9') tournant et pouvant être fixé à
l'élément (1)de référence ainsi qu'un deuxième levier (10, 10') tournant et pouvant
être fixé à l'actionneur (3), notamment le premier levier (9, 9') et le deuxième leviers
(10, 10') étant reliés entre eux par une articulation (13, 13') tournante.
7. Dispositif d'actionnement mécanique suivant la revendication 6,
caractérisé en ce que
l'articulation (13, 13') tournante est, pour la liaison des deux leviers (9, 9', 10,
10'), couplée à un élément (7, 7') de maintien ayant du matériau magnétisable.
8. Dispositif d'actionnement mécanique suivant la revendication 7,
caractérisé en ce que
le champ magnétique issu de l'aimant (6) permanent du dispositif (16) d'immobilisation
sert à fixer l'élément (7, 7') de maintien au dispositif (16) d'immobilisation, lequel
est fixé, notamment par rapport à l'élément (1) de référence.
9. Dispositif d'actionnement mécanique suivant la revendication 7 ou 8,
caractérisé en ce que
le dispositif (16) d'immobilisation et l'élément (7, 7') de maintien forment, dans
la position dans laquelle l'élément (7, 7') de maintien est fixé au dispositif (16)
d'immobilisation, des parties d'un circuit de fer fermé.
10. Dispositif d'actionnement mécanique suivant l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
le dispositif (4, 4') de tension mécanique comprend un ressort de rappel.
11. Dispositif d'actionnement mécanique suivant l'une des revendications 6 à 9,
caractérisé en ce que
le dispositif (16) d'immobilisation a, en outre, une bobine (15) de séparation magnétique,
au moyen de laquelle peut être produit un champ magnétique antagoniste, qui s'oppose
à la force de maintien produite par l'aimant permanent.
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