Elektromagnetischer Aktuator, insbesondere für einen Mittelspannungsschalter

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator, insbesondere für einen Mittelspannungsschalter, mit einem mit einer Spule beaufschlagten Kern, sowie einem beweglichen Joch, gemäß Oberbegriffes des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktuators, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 15. Um hierbei einen elektromagnetischen Aktuator insbesondere für eine vorteilhafte Verwendung in einem Mittelspannungsschalter dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Aktuatorkraft erzielt wird, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Magnetkreis des Aktuators einen rechteckig verlaufenden Magnetkern, und ein mit dem Magnetkreis korrespondierendes rundes Joch aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator, insbesondere für einen Mittelspannungsschalter, mit einem mit einer Spule beaufschlagten Kern, sowie einem beweglichen Joch, gemäß Oberbegriffes des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktuators, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 15.

[0002] Elektromagnetische Aktuatoren dieser Art werden vielfältig eingesetzt. Neben der Anwendung in Mittelspannungschaltern als gesteuerte Betätigung der bewegbaren Kontakte, werden solche Aktuatoren auch in Maschinen und in Schaltern eingesetzt.

[0003] Stand der Technik beim elektromagnetischen Antrieb von Mittelspannungs-Vakuum-Leistungsschaltern sind ein- und zweispulige Elektromagnete. Der Elektromagnet hat wie oben bereits erwähnt die Funktion, den beweglichen Kontakt der Vakuumkammer bei einer Einschaltung auf den festen Kontakt hin zu bewegen und in einem Überhub eine Kontaktdruckfeder zu spannen.

[0004] Um die Bewegung zu starten, wird die Spule des Elektromagneten bestromt. Die eingeschaltete Position wird dann mit Hilfe von einem oder mehreren Permanentmagneten gegen die Kraft der Kontaktdruckfeder gehalten. Strom in der als Einschaltspule verwendeten Spule ist dann nicht mehr erforderlich.

[0005] Zur Ausschaltung des Schalters wird bei einem zweispuligen Aktuator eine Ausschaltspule bestromt, die die Haltekraft der Permanente zunächst so weit schwächt, dass die Kontaktdruckfeder nicht mehr gehalten werden kann und der bewegliche Kontakt öffnet. Im weiteren Verlauf der Ausschaltbewegung kann durch die Ausschaltspule eine öffnende Kraft erzeugt werden.

[0006] Bei einem einspuligen Elektromagneten kann durch die Spule die Ausschaltung im wesentlichen nur initiiert werden. Der weitere Verlauf der Ausschaltung wird dann durch die Kontaktdruckfeder sowie durch eine separate Ausschaltfeder bestimmt.

[0007] Existierende Einspulige Aktuatoren sind oft rotationssymmetrisch aufgebaut. Dies verhindert eine einfache Anpassung an einen anderen Bemessungs-Kurzschlussstrom, da für eine Veränderung der Luftspaltfläche ein anderer Durchmesser gewählt werden muss. Damit können alle Teile jeweils nur für eine Baugröße verwendet werden.

[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktuator der eingangs genannten Art, insbesondere für eine vorteilhafte Verwendung in einem Mittelspannungsschalter dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Aktuatorkraft erzielt wird.

[0009] Bei einem Aktuator der gattungsgemäßen Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

[0010] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.

[0011] Kern der Erfindung ist hierbei, dass dieser rechteckige Kern mit einem runden, d.h. rotationssymmetrischen Joch kombiniert wird.

[0012] Der Vorteil im Vergleich zu einem rechteckigen Joch besteht zunächst darin, dass das rotationssymmetrische Joch nicht gegen Verdrehen gesichert werden muss - es erfüllt seine Funktion in jeder Lage in gleicher Weise. Das ist besonders beim Einsatz in Mittelspannungsschaltern von Bedeutung.

[0013] So kommt es zu einer Kombination eines Magnetkerns der rechteckig ist und eine feste Breite und eine variable Tiefe aufweist. Da der Kern aus geschichteten Blechen aufgebaut wird, kann über die Anzahl der Bleche die Tiefe eingestellt werden. Seitliche Befestigungen, Lager und Achse können übernommen werden. Lediglich die Permanentmagnete und die Spulenkörper sind über eine Längenvariante an die Baugröße des Kerns anzupassen.

[0014] Im Vergleich zu einem zweispuligen Aktuator weist die vorliegende Erfindung - wie auch existierende einspulige Aktuatoren - die Vorteile einer reduzierten Baugröße sowie eines reduzierten Gewichtes auf. Dies liegt im wesentlichen daran, dass nur eine Spule und nur ein magnetischer Kreis benötigt werden. Im Vergleich zu existierenden Einspuligen Aktuatoren ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfache Anpassung der Magnetgröße an die von Mittelspannungs-Leistungsschaltern zu beherrschenden Bemessungs-Kurzschlussströme im Raster von 12,5 - 16 - 20 - 25 - 31,5 - 40 und 50 kA. Dabei ist es in erster Linie erforderlich, die Haltekraft des Aktuators durch Veränderung der Luftspaltfläche zu ändern.

[0015] Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass das Joch auf der Achse in einem Gewinde gedreht werden kann, um so stufenlos den Hub des magnetischen Aktuators einstellen zu können. Auch hier dient der Vorteil der Verwendung eines einzelnen Aktuators für eine Vielzahl von Anwendungen, die sich durch einen unterschiedlichen Schalthub unterscheiden.

[0016] Ein besonders kompaktes Gerät kann realisiert werden, wenn der Antrieb direkt unterhalb des anzutreibenden Schaltpols angeordnet wird, unter Verzicht auf Hebel und Umlenkungen. Die direkte Ankoppelung kommt der Qualität der Weg/Zeit Kennlinie des Antriebs entgegen, die dann frei ist von störenden Einflüssen von Federsteifigkeiten und Losen eines komplizierteren Antriebssystems.

[0017] Es kann allerdings auch die Forderung an den Antrieb bestehen, sich existierenden Konstruktionen anzupassen. Dann ist es auch möglich, einen magnetischen Aktuator über z.B. ein Hebelsystem mit mehreren anzutreibenden Schaltpolen zu verbinden und diese somit gleichzeitig anzutreiben. Die Vorteile liegen hier in der Möglichkeit, über das Hebelverhältnis Kraft und Hub gezielt beeinflussen zu können.

[0018] Weiterhin kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist die Verwendung einer hohen Kraftdichte. Bei einem vorgegebenen Bauraum, insbesondere bei einer begrenzten Fläche am magnetischen Luftspalt, können höchste magnetische Kräfte erzielt werden, indem

1) die Fläche der Permanentmagnete nicht durch die vorgegebene Fläche des Luftspaltes begrenzt wird und indem

2) der magnetische Fluss direkt am Luftspalt weiter konzentriert wird.

[0019] In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgsehen, dass der Aktor hebel- und umlenkungsfrei direkt unter der Vakuumschaltkammer eines Mittelspannungsschalters platziert ist und direkt auf die Kontaktstange einwirkt.
Damit wird eine gute und schnelle Kafteinwirkung bewerkstelligt.

[0020] In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Aktor über Kopplungselemente mehrere Schaltkammern gleichzeitig schaltet.

[0021] Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass der Aktuator die Schaltkammer bzw die Schaltkammern über Hebelelemente antreibt. Bei bestimmten Schalterbauformen ist dies notwendig. Durch die vorteilhaft erzielten hohen Betätigungskräfte ist dies auch gut möglich.

[0022] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass über eine geometrische Konstruktionsänderung des Jochs auf der Betätigungsachse der Hub veränderbar ist.

[0023] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Permanentmagnete im Magnetkern eingebracht sind, deren Magnetisierungsrichtung weitestgehend parallel zur Ebene des Luftspaltes liegt.

[0024] Dabei wird der Magnetkreis konstruktiv so abgestimmt, dass eine magnetische Induktion von mehr als 2 Tesla im Luftspalt vorliegt.

[0025] In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Joch auf einer Betätigungsachse fixiert ist, die auf einer Seite zentriert durch den Magnetkern verschieblich hindurch verläuft und auf der anderen Seite mit der zu schaltenden Kontaktbetätigungsstange verbunden ist. Dadurch wird eine Bauform erzielt, die eine kompakte direkte Anlenkung zur Betätigung der Kontaktstücke erreicht.

[0026] Durch die weitere Ausgestaltung, bei welcher die durch den Magnetkern hindurch verlaufende Seite der Betätigungsachse am unteren Ende aus dem Magnetkern herausragt und dort mit einem zweiten, in der Lateraldimension kleineren Joch verbunden ist, wird hierdurch erreicht, dass in der ausgeschalteten Stellung eine Haltekraft erzeugt wird.

[0027] Durch die in weiterer Ausgestaltung vorgeschlagene Bauform, bei welcher das untere Joch und das obere Joch in einer festen Bezugslage voneinander beabstandet auf der Betätigungsachse angeordnet sind, derart dass wenn das obere Joch im Sollhub von dem Magnetkern abhebt, das untere Joch von unten an dem Magnetkern anliegt, ergibt sich quasi eine Verriegelung der ausgeschalteten Position des Kontaktstückes.

[0028] Um die Bewegung im Endanschlag insgesamt zu dämpfen, ist zwischen unterem Joch und der Unterseite des Magnetjoches eine Dämpfungsunterlage angeordnet.

[0029] Zur Unterstützung der Ausschaltung ist auf die Betätigungsachse einwirkend mindestens eine Feder vorgesehen, wobei diese vorzugsweise eine Blattfeder sein kann.

[0030] Durch den Aufbau des Magnetkerns aus Eisenblechen, werden die durch Flussänderungen induzierte Wirbelströme hinreichend verringert. Auch auf den Zusatz von Silizium im Eisen kann verzichtet werden.

[0031] Insgesamt ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl unterschiedlicher elektromagnetischer Aktuatoren der Bauart nach Anspruch 1 bis 14, die in einer Baureihenproduktion gefertigt werden angegeben, indem lediglich die Tiefe des rechteckigen Magnetkerns und der Durchmesser des runden Joches variiert werden. Dadurch ergibt sich eine einfache Serienfertigung auch bei Berücksichtung unterschiedlicher Größen.

[0032] Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.

[0033] Es zeigt:

Figur 1:

perspektivische Sicht auf magnetischen Aktuator mit rundem Joch

Figur 2:

Flussliniendarstellung

[0034] Figur 1 zeigt eine perspektivische Sicht auf einen Aktuator, mit einem Elektromagneten 1 mit einer Spule 5, einem rechteckigen Magnetkern 2 einem runden Joch 3. Das Joch ist dabei auf einer Betätigungsachse 4 befestigt, die zentrisch durch den Magnetkern 2 axial beweglich hindurch verläuft.

[0035] Figur 2 zeigt eine Flussliniendarstellung dieses elektromagnetischen Aktors. Der Magnetkern 2 zeigt den den Flusslinienverlauf bei geschlossenem System, d.h. wenn das runde Joch 3 auf dem Magnetkern 2 anliegt. Innerhalb des Magnetkerns integriert sind Permanentmagnete 6, deren Richtung der Magnetisierung parallel zur Luftspaltebene liegt.

[0036] Die Betätigungsachse ist hierbei nicht dargestellt, aber auf ihr sind das runde Joch 2 und das untere kleinere Joch 7 in dieser funktionalen Weise voneinander beabstandet gehalten, wie oben bereits beschrieben. Zischen kleinem Joch 7 und dem Magnetkern 2 kann eine Dämpfungsunterlage 8 angeordnet sein.

[0037] Der Aktuator kann also innerhalb eines Schaltgerätes angeordnet sein. Die Betätigungsachse des Aktuators ist dabei mit dem beweglichen Kontakt einer Vakuumschaltkammer verbunden, und wirkt auf diese entsprechend schaltbetätigend ein. Diese Verbindung kann geradlinig aber auch über Hebel angelenkt sein.

[0038] Es ergeben sich insgesamt noch folgende Zusammenhänge.

[0039] Die technisch zur Verfügung stehenden Permanentmagnetmaterialien mit hoher magnetischer Energie (z.B. NdFeB, SmCo) weisen Remanenzinduktionen im Bereich von1 bis 1,4 T auf. Dies ist deutlich geringer als im Eisenkern bei vertretbaren magnetischen Verlusten geführt werden kann. Daher wurden erfindungsgemäß die Permanentmagnete mit einer waagerechten Polarität eingebaut. Geht der Fluss dann im Schenkel in die horizontale Richtung über, wird er dort konzentriert. Bei einer vorgegebenen Breite des Schenkels kann so ein größerer Fluss erzeugt werden als bei Anordnung der Permanentmagnete im Schenkel und mit senkrechter Polarisation.

[0040] Eine weitere Konzentration des magnetischen Flusses findet am Übergang vom Schenkel zum Joch über den Luftspalt statt. Zur Maximierung der Haltekraft wird der vorliegende Magnetische Aktuator so ausgelegt, dass eine magnetische Induktion von über 2 T erreicht wird.

[0041] Sind die Permanentmagnete wie hier gezeigt so eingebaut, dass ihre Enden an der Unterseite des Magneten sichtbar sind und überdies mit den unteren Enden des Eisenkreises eine glatte Fläche bilden, kann durch ein zweites, kleineres Joch eine zweite, kleinere Haltekraft in der ausgeschalteten Stellung des Magneten erzeugt werden. Dies dient zur Verriegelung der ausgeschalteten Position des beweglichen Kontaktes der Vakuumkammer, der somit gegen ungewolltes Einschalten, z.B. durch Erschütterung, geschützt ist.

[0042] Zwischen den Kern des Magnetischen Aktuators und dem zweiten Joch kann eine Dämpfungsunterlage eingefügt sein, die den mechanischen Anschlag des zweiten Joches auf den Kern bei einer Ausschaltung dämpft. Dies dient sowohl der Vermeidung von Schwingungen beim Anschlag als auch einer höheren Lebensdauer des gesamten Schaltgerätes.

[0043] Es werden hier für den Magentkern Eisenbleche mit einem geringen Siliziumanteil verwendet, um durch Flussänderungen induzierte Wirbelströmen zu verringern. Die Verwendung von Silizium reduziert jedoch die magnetische Polarisierbarkeit des Materials. Um höchste Kräfte zu erreichen, können bei dem vorliegenden Magnetischen Aktuator Eisenbleche ohne Zusatz von Silizum verwendet werden.

[0044] Will man die Tiefe des Magnetischen Kernes variieren, um wie oben beschrieben unterschiedliche Stärken des Magneten zu realisieren, kann die Ausschaltfeder nicht in der Mitte des Magneten platziert werden, da dies eine Störung der magnetischen Symmetrie darstellen würde, die nur für eine Baugröße kompensiert werden kann. Stattdessen ist es vorgesehen, die Ausschaltfeder außerhalb des Magneten zu platzieren.

[0045] Ferner wird eine Blattfeder vorgeschlagen, die unterhalb des Aktuators befestigt wird und sich seitlich am Gehäuse des Schaltgerätes abstützt. Die Vorteile bestehen hier - neben der sehr einfachen Konstruktion - in einer geringen Anzahl von Teilen, geringen Kosten und der Möglichkeit, über die Breite einer Druckplatte die Federkraft einstellen zu können.

Ansprüche

1. Elektromagnetischer Aktuator, insbesondere für einen Mittelspannungsschalter, mit einem mit einer Spule beaufschlagten Magnetkern, sowie einem beweglichen Joch,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Magnetkreis (1) des Aktuator einen rechteckig verlaufenden Magnetkern (2), und ein mit dem Magnetkreis korrespondierendes rundes Joch (3) aufweist.

2. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator hebel- und umlenkungsfrei direkt unter der Vakuumschaltkammer eines Mittelspannungsschalter platziert ist und direkt auf die Kontaktstange einwirkt.

3. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator über Kopplungselemente mehrere Schaltkammern gleichzeitig schaltet.

4. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator die Schaltkammer bzw die Schaltkammern über Hebelelemente antreibt.

5. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass über eine verschobene Anordnung des Jochs (3) auf der Betätigungsachse (4) der Hub veränderbar ist.

6. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass Permanentmagnete (6) im Magnetkern (2) eingebracht sind, deren Magnetisierungsrichtung weitestgehend parallel zur Ebene des Luftspaltes liegt.

7. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Magnetkreis konstruktiv so abgestimmt wird, dass eine magnetische Induktion von mehr als 2 Tesla im Luftspalt vorliegt.

8. Elektromagnetischer Aktuator, nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Joch (3) auf einer Betätigungsachse fixiert ist, die auf einer Seite zentriert durch den Magnetkern verschieblich hindurch verläuft und auf der anderen Seite mit der zu schaltenden Kontaktbetätigungsstange verbunden ist.

9. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die durch den Magnetkern (2) hindurch verlaufende Seite der Betätigungsachse (4) am unteren Ende aus dem Magnetkern herausragt und dort mit einem zweiten, in der Lateraldimension kleineren Joch (8) verbunden ist.

10. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das untere Joch (8) und das obere Joch (3) in einer festen Bezugslage voneinander beabstandet auf der Betätigungsachse (4) angeordnet sind, derart dass wenn das obere Joch im Sollhub von dem Magnetkern abhebt, das untere Joch von unten an dem Magnetkern anliegt.

11. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen unterem Joch (7) und der Unterseite des Magnetkerns (2) eine Dämpfungsunterlage (8) angeordnet ist.

12. Elektromagnetischer Aktuator, nach mindestens Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Unterstützung der Ausschaltung auf die Betätigungsachse einwirkend mindestens eine Feder vorgesehen ist.

13. Elektromagnetischer Aktuator, nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Feder eine Blattfeder ist.

14. Elektromagnetischer Aktuator, nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Magnetkern aus Eisenblechen aufgebaut ist, die keinen Silizium Zusatz enthalten.

15. Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mehrzahl unterschiedlicher Aktuatoren in einer Baureihenproduktion gefertigt werden, indem lediglich die Tiefe des rechteckigen Magnetkerns und der Durchmesser des runden Joches variiert werden.

Zeichnung