Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter

Abstract

 Bei einem Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter mit einer Kurvenscheibe und einem zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung der Kurvenscheibe (10) antreibbaren Übertragungselement (11) sowie einem das Übertragungselement (11) verzögernden Bremselement (3) ist die Kurvenscheibe (10) derart geformt, daß der Differentialquotient (f') aus dem vom Übertragungselement (11) zurückgelegten Weg und dem Drehwinkel der Kurvenscheibe (10), betrachtet als Funktion des Drehwinkels der Kurvenscheibe (10) ein Maximum (18) im Anfangsbereich der Bewegungsübertragung zwischen Kurvenscheibe (10) und Übertragungselement (11) aufweist. Hierdurch erfolgt eine schnelle Beschleunigung des Übertragungselementes (11) und darauf eine langsame Abbremsung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter mit einer um eine ortsfeste Achse drehbar gelagerten, antreibbaren Kurvenscheibe, die bei einer Bewegung im Intervall zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung ein senkrecht zu der Achse bewegliches Übertragungselement antreibt, welches Teile des Leistungsschalters antreibt und mit einem seine Bewegung verzögernden Bremselement verbunden ist.

[0002] Ein derartiger Antrieb für einen Leistungsschalter ist beispielsweise aus der DE-PS 25 17 134 bekannt. Bei dem bekannten Antrieb wird eine Achse, auf der eine Kurvenscheibe fixiert ist, durch eine Einschaltfeder angetrieben. Durch die Kurvenscheibe wird über einen Zapfen eine zweite Welle angetrieben, deren Drehbewegung über zwei Kurbeln auf eine Unterbrechereinheit eines Leistungsschalters übertragen wird. Gleichzeitig greift an der zweiten Welle eine Ausschaltfeder an, die der Bewegung der Kurvenscheibe beim Einschaltvorgang entgegenwirkt, dadurch die Bewegung der Kurvenscheibe verzögert und selbst gespannt wird.

[0003] Bei dem bekannten Antrieb muß die Energie der Einschaltfeder und damit die von der Kurvenscheibe übertragene Energie zum Ausgleich von Temperaturschwankungen und mechanischen Toleranzen überschußbehaftet sein. Der Überschuß der auf die Unterbrechereinheit wirkenden Energie muß dann entweder in den die Antriebskraft übertragenden Teilen oder in einem zusätzlichen Stoßdämpfer aufgefangen werden. Es kann normalerweise auch kein unbegrenzter Überhub der Antriebsteile im Einschaltfall zugelassen werden.

[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der Überhub sowie der Überschluß an dynamischer Energie der durch die Kurvenscheibe angetriebenen Teile möglichst gering gehalten wird, ohne daß überschüssige dynamische Energie durch Teile des Antriebs aufgenommen werden muß.

[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kurvenscheibe derart geformt ist, daß der Differentialquotient aus dem von dem Übertragungselement zurückgelegten Weg und dem zurückgelegten Drehwinkel der Kurvenscheibe, betrachtet als Funktion des Drehwinkels der Kurvenscheibe, ein absolutes Maximum im Bereich zwischen der ersten Stellung und der Mitte des Intervalls aufweist und in dem Bereich zwischen der Stelle des absoluten Maximums und der zweiten Stellung eine monoton fallende Funktion darstellt.

[0006] Die erste und die zweite Stellung der Kurvenscheibe begrenzen das Intervall, in dem eine Bewegung der Kurvenscheibe eine Bewegung des Übertragungselementes zur Folge hat.

[0007] Der genannte Differentialquotient entspricht der Ableitung des Weges des Übertragungselementes nach dem Kurvenscheibendrehwinkel.

[0008] Das Ziel der Erfindung ist es, die Kurvenscheibe so auszubilden, daß das Übertragungselement während des gesamten Vorganges der Übertragung von Energie durch die Kurvenscheibe auf das Übertragungselement an der Kurvenscheibe anliegt.

[0009] Durch die "Steigung" der Kurvenscheibe wird das Übertragungselement bei einer Bewegung der Kurvenscheibe im ersten Teil der Bewegung beschleunigt. In einem zweiten Teil der Bewegung wird zwar noch Kraft von der Kurvenscheibe auf das Übertragungselement übertragen, diese dient aber nicht zu einer weiteren Beschleunigung des Übertragungselementes, sondern sie wird für die mechanische Arbeit aufwendet, die das Übertragungselement an die übrigen Teile des Antriebs weitergibt. Zum Ende des Antriebsvorganges wird dabei das Übertragungselement allmählich bis zum Stillstand abgebremst.

[0010] Soll in der zweiten Phase des Antriebsvorganges nach Erreichen der maximalen Geschwindigkeit das Übertragungselement ständig mit der Kurvenscheibe in Kontakt bleiben, so daß sich der Überhub durch die Gestaltung der Kurvenscheibe vollkommen kontrollieren läßt, so muß die Bedingung erfüllt sein, daß das Übertragungselement durch die von ihm angetriebenen Teile des Leistungsschalters und das Bremselement in dem Maß verzögerbar ist, wie es die durch die Kurvenscheibe dem Übertragungselement eingeprägte Bewegung erfordert. Wenn nämlich die "Steigung" der Kurvenscheibe in dieser Phase des Antriebsvorganges geringer wird, so würde die Geschwindigkeit des Übertragungselementes in dem Fall, daß keine bremsenden Kräfte wirken, konstant bleiben und das Übertragungselement würde sich von der Kurvenscheibe lösen. Eine Ablösung des Übertragungselementes von der Kurvenscheibe findet auch dann statt, wenn die abbremsenden Kräfte auf das Übertragungselement nicht ausreichend groß sind, um dies entsprechend dem Verlauf der Kurvenscheibe ausreichend abzubremsen.

[0011] Sind die abbremsenden Kräfte, die auf das Übertragungselement wirken, zu groß, so wirkt sich dies nicht in negativer Weise auf das Übertragungselement und die übrigen Teile des Leistungsschalters aus. Die bremsenden Kräfte sollten lediglich deshalb nicht zu groß sein, damit nicht der Antrieb der Kurvenscheibe aus diesem Grund vergrößert werden muß.

[0012] Diese Überlegungen fuhren dazu, daß die Kurvenscheibe so gestaltet wird, daß die Abbremsung des Übertragungselementes möglichst früh eingeleitet wird, um die Bremsbeschleunigung, die von dem Bremselement aufgebracht werden muß, möglichst gering zu halten. Dennoch muß das Übertragungselement in möglichst kurzer Zeit eine möglichst große Gesamtstrecke zurücklegen, um den Schaltvorgang des Leistungsschalters möglichst schnell zu vollenden.

[0013] Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß das Übertragungselement seine höchste Geschwindigkeit möglichst schnell erreicht, um dann über einen zeitlich und örtlich möglichst langen Bereich bis zum Stillstand abgebremst werden zu können. Es ist gemäß der Erfindung kein besonders stark verzögerndes Bremselement notwendig, um den ständigen Kontakt zwischen dem Übertragungselement und der Kurvenscheibe zu gewährleisten. Hierdurch ist eine genaue Kontrolle der Bewegung des Übertragungselementes durch entsprechende Gestaltung der Kurvenscheibe möglich. Ein unnötiger Überhub kann damit vermieden werden. Dadurch kann auch die notwendige Überschußenergie, die zum Ausgleich von Toleranzen notwendig ist, drastisch verringert werden.

[0014] Die Erfindung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß die monoton fallende Funktion konvex ist und daß das Bremselement so ausgebildet ist, daß die Bremskraft auf das Übertragungselement zwischen der Konstellation, der der Stellung der Kurvenscheibe beim absoluten Maximum entspricht und der Konstellation, die der zweiten Stellung der Kurvenscheibe entspricht, stetig zunimmt.

[0015] Die konvexe Eigenschaft der monoton fallenden Funktion, welcher der Differentialquotient aus dem von dem Übertragungselement zurückgelegten Weg und dem zurückgelegten Drehwinkel der Kurvenscheibe folgt, führt dazu, daß die Verzögerung des Übertragungselementes mit dem Fortschreiten des von diesem zurückgelegten Weges größer wird. Dementsprechend muß, wenn das Übertragungselement in Kontakt mit der Kurvenscheibe bleiben soll, die auf das Übertragungselement wirkende Bremskraft zunehmen. Da ein solches Bremselement konstruktiv besonders einfach in Form eines elastischen Elementes zu gestalten ist, bei dem die Gegenkraft in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg zunimmt, kann das Übertragungselement am schnellsten dadurch abgebremst werden, daß mit einer geringen Verzögerungskraft begonnen und diese nach der Charakteristik des Bremselementes gesteigert wird. Auf diese Weise kann das Übertragungselement auf der kürzest möglichen Strecke abgebremst werden.

[0016] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Differentialqoutient in der ersten Stellung der Kurvenscheibe gleich Null ist.

[0017] Hierdurch ist gewährleistet, daß zu Beginn der Berührung zwischen der Kurvenscheibe und dem Übertragungselement sich zwar die Kurvenscheibe bewegt, nicht aber das Übertragungselement. Erst wenn der Differentialqoutient einen Wert ungleich Null annimmt, kann zwischen der Kurvenscheibe und dem Übertragungselement eine Bewegung übertragen werden. Es wird hierdurch ein Stoß auf das Übertragungselement zu Beginn seiner Bewegung vermieden.

[0018] Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß der Differentialquotient in der zweiten Stellung der Kurvenscheibe gleich Null ist.

[0019] Diese Ausgestaltung führt dazu, daß in der zweiten Stellung der Kurvenscheibe das Übertragungselement und die durch diese angetriebenen Teile des Leistungsschalters keine dynamische Energie aufweisen, so daß ein Überhub der angetriebenen Teile vermieden wird.

[0020] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Bremselement als Feder ausgebildet ist.

[0021] Hierdurch wird das Bremselement konstruktiv besonders einfach gestaltet und durch die Federcharakteristik kann je nach deren Gestaltung ein gewünschtes Profil für die Verzögerung des Übertragungselementes in Abhängigkeit von dem durch dieses zurückgelegten Weg realisiert werden.

[0022] Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß das Bremselement als Kraftspeicher für den Leistungsschalter ausgebildet ist.

[0023] Das Übertragungselement dient in diesem Falle dazu, die Antriebskraft der Kurvenscheibe einerseits auf die zu betätigenden elektrischen Kontakte einer Unterbrechereinheit zu übertragen, und andererseits bei dieser Bewegung einen Kraftspeicher aufzuladen, der für eine entgegengesetzte Schaltbewegung der Unterbrechereinheit als Antrieb dient. Der Kraftspeicher kann beispielsweise als Federspeicher ausgebildet sein, wobei dann die Charakteristik der Feder das Profil der Verzögerung des Übertragungselementes bestimmt. Durch eine geeignete Kraftübersetzung zwischen dem das Bremselement bildenden Kraftspeicher und dem Übertragungselement kann die Charakteristik des Kraftspeichers an das geforderte Verzögerungsprofil des Übertragungselementes geeignet angepaßt werden.

[0024] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.

[0025] Dabei zeigt

Figur 1 schematisch einen Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter,

Figur 2 für zwei verschiedene Formen der Kurvenscheibe jeweils die Auslenkung des Übertragungselementes in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurvenscheibe,

Figur 3 die mathematischen Ableitungen (Differentialqoutienten) der in Figur 2 gezeigten Funktionen als Graph in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurvenscheibe,

Figur 4 den Graph des Differentialqoutienten in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurvenscheibe bei einer erfindungsgemäßen Gestaltung der Kurvenscheibe und zum Vergleich dazu bei einer konventionellen Kurvenscheibe

Figur 5 den Graphen des Differentialqoutienten (f') aus der Figur 4 sowie die Ableitung (f'') dieser Funktion nach dem Kurvenscheibendrehwinkel und den vom Übertragungselement insgesamt zurückgelegten Weg in Abhängigkeit vom Kurvenscheibendrehwinkel.

[0026] Figur 1 zeigt schematisch eine Unterbrechereinheit mit einem antreibbaren Kontakt 2 und einer Ausschaltfeder 3, die als Kraftspeicher zum Antrieb des Kontaktes 2 bei einer Ausschaltbewegung dient.

[0027] Zum Einschalten wird eine Einschaltfeder 4 entspannt, deren eines Ende 5 ortsfest fixiert ist und deren anderes Ende 6 mittels einer Pleuelstange 7 mit einem Kurbelrad 8 verbunden ist. Das Kurbelrad 8 ist auf einer Achse 9 drehbar gelagert und mit einer Kurvenscheibe 10 fest verbunden. Bei einer Verlängerung der Einschaltfeder 4 wird die Kurvenscheibe im Uhrzeigersinn um die Achse 9 gedreht. Dabei wird das Übertragungselement 11 in Form einer an einem Lenker 12 schwenkbar befestigten Rolle angetrieben. An das Übertragungselement 11 ist eine Schubstange 21 angelenkt, die an ihrem dem Übertragungselement abgewandten Ende 13 mit einer ortsfest gelagerten Kurbel 14 beweglich verbunden ist. Eine Schubbewegung auf die Schubstange 21 wird durch die Kurbel 14 in eine Schubbewegung der Schaltstange 15 in Richtung des Pfeiles 16 umgesetzt und hierdurch wird der Kontakt 2 betätigt, so daß die Unterbrechereinheit eine Einschaltbewegung ausfuhrt.

[0028] Die Bewegung der Übertragungselementes 11 bewegt außerdem eine Kompression der Ausschaltfeder 3. Die Ausschaltfeder 3 wirkt mithin der Bewegung des Übertragungselementes 11 bei einer Drehung der Kurvenscheibe 10 entgegen. Hierdurch wird das Übertragungselement 11 gegen die Kurvenscheibe 10 gedruckt.

[0029] Ziel der Erfindung ist es, zu bewirken, daß die durch die Ausschaltfeder 3 und eventuell eine zusätzliche Dämpfungseinrichtung 17 auf das Übertragungselement 11 wirkende Gegenkraft genügend groß ist, so daß das Übertragungselement 11 an keiner Stelle von der Kurvenscheibe 10 abhebt. Hierdurch ist die Bewegung aller mit dem Übertragungselement 11 verbundenen Teile im Zuge einer Drehung der Kurvenscheibe allein durch die Form der Kurvenscheibe bestimmt und somit genau festlegbar.

[0030] Die Figuren 2 bis 5 zeigen jeweils Graphen, bei denen auf der Abszisse der auf 1 normierte Kurvenscheibendrehwinkel aufgetragen ist. Hierbei bezeichnet "0" die erste Stellung, bei der die Kurvenscheibe mit dem Übertragungselement 11 in Kontakt kommt, "1" bezeichnet die zweite Stellung der Kurvenscheibe und somit das Ende der Bewegungsübertragung.

[0031] In Figur 2 ist auf der Ordinate der von dem Lenker 12 des Übertragungselementes zurückgelegte Winkel aufgetragen, der ein Maß für die durch das Übertragungselement 11 zurückgelegte Strecke ist. Es sind zwei Graphen für unterschiedliche Formen der Kurvenscheibe dargestellt. f1 bezeichnet die Bewegung des Übertragungselementes, wenn die Kurvenscheibe die Form einer archimedischen Spirale, d. h. einer Kurve mit konstanter Steigung aufweist. f1 ist dementsprechend eine Gerade, was bedeutet, daß der Drehwinkel des Lenkers 12, der pro von der Kurvenscheibe 10 zurückgelegtem Einheitswinkel durchlaufen wird, in jeder Phase der Bewegung gleich groß ist. Dies bedeutet, daß zu Anfang der Einschaltbewegung von der Kurvenscheibe 10 auf das Übertragungselement 11 ein Stoß ausgeübt wird und daß das Übertragungselement 11 und die mit ihm verbundenen Teile des Schalterantriebs zum Ende der Einschaltbewegung eine relativ hohe dynamische Energie aufweisen, wenn nicht die Kurvenscheibe 10 in geeigneter Form abgebremst worden ist.

[0032] f2 bezeichnet eine verbesserte Variante. Die Kurvenscheibe 10 ist hier so geformt, daß zu Beginn der Einschaltbewegung eine endliche Drehung der Kurvenscheibe 10 nicht zu einer Bewegung des Übertragungselementes 11 führt. Hierdurch wird ein Stoß auf das Übertragungselement 11 vermieden. Im mittleren Bereich der Einschaltbewegung wird eine Bewegung der Kurvenscheibe 10 besonders effektiv auf das Übertragungselement 11 übertragen. Im Endbereich der Einschaltbewegung ergeben sich ähnliche Bedingungen wie im Anfangsbereich, so daß hier die Kurvenscheibe auslaufen kann, ohne daß das Übertragungselement 11 weiter vorangetrieben wird.

[0033] In Figur 3 sind die mathematischen Ableitungen der in Figur 2 gezeigten Funktionen f1 und f2 nach dem Kurvenscheibendrehwinkel, das heißt der Differentialquotient aus dem Weg des Übertragungselementes und dem Kurvenscheibendrehwinkel, dargestellt. Aus dem oben Beschriebenen wird deutlich, daß die Ableitung der Funktion, um einen Stoß auf das Übertragungselement 11 zu vermeiden, am Punkt "0", das heißt zu Beginn der Übertragung gleich Null sein muß und daß die Ableitung zum Ende der Übertragung ebenfalls gleich Null sein muß, um ein Auslaufen der Kurvenscheibe 10 zu ermöglichen, ohne daß das Übertragungselement 11 und die mit ihm verbundenen Teile des Schalterantriebs zum Ende der Einschaltbewegung noch eine endliche Geschwindigkeit, d. h. dynamische Energie aufweisen, die durch Teile des Schalters aufgefangen werden müßte.

[0034] In Figur 4 ist, mit f3' bezeichnet, die entsprechende Ableitungsfunktion bei einer erfindungsgemäß gestalteten Kurvenscheibe dargestellt. Die erfüllt die obengenannten Bedingungen, daß die Ableitung zu Beginn und Ende der Übertragungsbewegung gleich Null ist. Außerdem liegt das Maximum 18 der Ableitungsfunktion in der ersten Hälfte 19 des Intervalls 20 zwischen Beginn und Ende der Bewegungsübertragung. Hierdurch ist gewährleistet, daß zu Beginn der Bewegung eine starke Beschleunigung auf das Übertragungselement wirkt, so daß dieses in kurzer Zeit eine große Strecke zurücklegen kann. Der von dem Übertragungselement 11 zurückzulegende Weg, der letztendlich durch den von dem antreibbaren Kontakt 2 zurückzulegenden Weg bestimmt ist, wird daher sehr schnell zum größten Teil durchlaufen. Es kann daher auch relativ früh die Abbremsung der Bewegung des Übertragungselementes 11 eingeleitet werden. Dies ist dadurch realisiert, daß jenseits des Maximums 18 der Funktion f3' diese monoton fallend ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich, daß eine Bewegung der Kurvenscheibe 10 jenseits des Maximums 18 mit immer größeren Untersetzungen an das Übertragungselement 11 weitergegeben wird. Die Ausschaltfeder 3 und die übrigen, auch reibungsbehafteten Teile des Leistungsschalters bringen dabei die Bremskräfte auf, so daß das Übertragungselement 11 durchgehend an die Kurvenscheibe 10 angedruckt wird. Da die Abbremsungsbewegung schon sehr früh eingeleitet wird, ist die Bremsbeschleunigung, die notwendig ist, um die Teile des Schalters bis zum Erreichen des Einschaltzustandes zum Stehen zu bringen, relativ niedrig. Die Ausschaltfeder muß daher nicht stärker dimensioniert werden, als es für ihre Funktion als Kraftspeicher für die Ausschaltbewegung notwendig ist.

[0035] Es zeigt sich in Figur 4 außerdem, daß die Funktion f3' im Bereich zwischen dem Maximum 18 und dem Ende der Bewegungsübertragung konvex ist, d. h. die Ableitung dieser Funktion wird zwischen dem Maximum 18 und dem Ende der Bewegungsübertragung immer stärker negativ, d. h. der Betrag dieser Ableitung, der der aufzubringenden Bremsbeschleunigung entspricht, wird größer. Das bedeutet, daß die Bremskraft bei fortschreitender Bewegung des Übertragungselementes 11 immer größer werden muß, um das Übertragungselement 11 an die Kurvenscheibe 10 anzudrücken. Dies ist dadurch, daß das Bremselement durch die Ausschaltfeder 3 gebildet ist, sichergestellt, da die Federcharakteristik der Feder 3 naturgemäß einer monoton steigenden Funktion entspricht, d. h. die Feder 3 bringt eine umso stärkere Kraft auf, je weiter sie zusammengedrückt ist.

[0036] In Figur 5 ist der Graph der erfindungsgemäßen Funktion f, ihrer ersten Ableitung und ihrer zweiten Ableitung, jeweils nach dem Kurvenscheibendrehwinkel, dargestellt.

Ansprüche

1. Antrieb für einen elektrischen Leistungsschalter mit einer um eine ortsfeste Achse drehbar gelagerten, antreibbaren Kurvenscheibe (10), die bei einer Bewegung im Intervall (20) zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung ein senkrecht zu der Achse (9) bewegliches Übertragungselement(11) antreibt, welches Teile des Leistungsschalters antreibt und mit einem seine Bewegung verzögernden Bremselement verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kurvenscheibe (10) derart geformt ist, daß der Differentialquotient (f') aus dem von dem Übertragungselement (11) zurückgelegten Weg und dem zurückgelegten Drehwinkel der Kurvenscheibe (10) betrachtet als Funktion des Drehwinkels der Kurvenscheibe (10), ein absolutes Maximum (18) im Bereich zwischen der ersten Stellung und der Mitte des Intervalls (20) aufweist und in dem Bereich zwischen der Stelle des absoluten Maximums (18) und der zweiten Stellung eine monoton fallende Funktion darstellt.

2. Antrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die monoton fallende Funktion konvex ist und daß das Bremselement (3) so ausgebildet ist, daß die Bremskraft auf das Übertragungselement (11) zwischen der Konstellation, die der Stellung der Kurvenscheibe (10) beim absoluten Maximum (18) entspricht und der Konstellation, die der zweiten Stellung der Kurvenscheibe (10) entspricht, stetig zunimmt.

3. Antrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Differentialqoutient in der ersten Stellung der Kurvenscheibe (10) gleich Null ist.

4. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Differentialquotient in der zweiten Stellung der Kurvenscheibe (10) gleich Null ist.

5. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bremselement (3) als Feder ausgebildet ist.

6. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Bremselement (3) als Kraftspeicher für den Leistungsschalter ausgebildet ist.

Zeichnung