ELEKTRODYNAMISCHER LINEARANTRIEB

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Linearantrieb, insbesondere Antrieb für einen elektrischen Schalter, bei welchem ein magnetisch aktiver Teil von einem durch eine stromdurchflossene Spule erzeugten Magnetfeld bewegbar ist, wobei zusätzlich zu der Spule eine Hilfsspule vorgesehen ist.

[0002] Ein elektrodynamischer Linearantrieb ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 29 572 A1 bekannt. Der dortige Linearantrieb weist eine Spule auf, welche bei einem Stromfluss durch die Spulenwindungen ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld verläuft in ihrem Innern in der Axialrichtung der Spule. Ein bewegbarer Anker weist ein magnetisch aktives Teil auf. Der Anker und das magnetisch aktive Teil sind ausschließlich senkrecht zu der Axialrichtung bewegbar. In Wechselwirkung mit dem von der Spule erzeugbaren Magnetfeld ist der magnetisch aktive Teil entlang einer Bewegungsbahn von einer Endlage in eine andere Endlage überführbar. Der Anker wird impulsartig angetrieben. Unabhängig von der Startposition des magnetisch aktiven Teils wird dieses zur Spulenmitte hin beschleunigt.

[0003] Aus der Patentschrift US 4,510,421 ist ein Antrieb mit mehreren Spulen bekannt.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrodynamischen Antrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Bewegung des magnetisch aktiven Teils besser steuerbar ist.

[0005] Die Aufgabe wird bei einem Linearantrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hilfsspule für einen begrenzten Zeitraum während einer Anfangsphase der Bewegung des magnetisch aktiven Teiles ein Hilfsmagnetfeld erzeugt.

[0006] Mit dem Einsatz einer Hilfsspule für einen begrenzten Zeitraum während einer Anfangsphase der Bewegung des magnetisch aktiven Teiles ist der Bewegungsablauf günstig steuerbar. Die von der Spule und der Hilfsspule erzeugten Magnetfelder können in günstiger Weise überlagert werden, so dass zu Beginn der Bewegung eine sehr hohe Antriebskraft zur Verfügung steht. Durch den Einsatz der Hilfsspule kann auf eine große Dimensionierung der Spule zur Erzeugung einer hohen Anfangskraft verzichtet werden. Durch die Gestaltung der Kombination von Spule und Hilfsspule sind verschiedene Schaltcharakteristiken eines derartig ausgebildeten elektrodynamischen Linearantriebes erzeugbar. Während zum Beginn der Ausschaltbewegung nunmehr eine hohe Antriebskraft, beispielsweise zum Überwinden einer auf das magnetisch aktive Teil wirkenden Haltekraft einer Haltvorrichtung zur Verfügung steht, ist zum Ende des Bewegungsvorganges des sich bereits im Bewegung befindlichen magnetisch aktiven Teiles nur ein verminderter Kraftaufwand erforderlich. Neben der Überlagerung der Magnetfelder ist es ebenfalls möglich, die von der Hilfsspule und der Spule erzeugten Magnetfelder zeitlich nacheinander wirken zu lassen.

[0007] Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Spule und die Hilfsspule Teil einer gemeinsamen Wicklung sind.

[0008] Bilden Spule und Hilfsspule einen Teil einer gemeinsamen Wicklung, so ergeben sich besonders große Vorteile hinsichtlich der Fertigung eines derartigen Linearantriebes. Die Spule kann dabei neben ihren Endanschlüssen zusätzlich eine oder mehrere Mittelanschlüsse aufweisen. Je nach den technischen Gegebenheiten ist dann einer der Mittelanschlüsse auszuwählen und so die Größe der Hilfsspule festzulegen. Sind mehrere Mittelanschlüsse vorgesehen, so ist es möglich, dieselbe Wicklung zur Ausbildung verschiedener Spulen und Hilfsspulenkombinationen zu verwenden. Gegebenenfalls kann auf die Nutzung der Hilfsspule auch verzichtet werden. Trotz verschiedener technischer Ausgestaltungsvarianten können gleichartige Spulen für verschiedene Linearantriebe eingesetzt werden.

[0009] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Hilfsspule von einer Hilfsspannungsquelle, insbesondere einem Hilfskondensator, gespeist ist.

[0010] Ist zur Versorgung der Hilfsspule eine Hilfsspannungsquelle vorgesehen, so kann der zur Erzeugung des Hilfsmagnetfeldes notwendige Hilfsstrom unabhängig von anderen Spannungsquellen gespeist werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Hilfskondensators als Hilfsspannungsquelle. Der Hilfskondensator ist in einfacher Weise aufladbar und steht dann zur Versorgung der Hilfsspule zur Verfügung. Ein derartig aufgeladener Hilfskondensator kann der Hilfsspule nahezu unabhängig von äußeren Bedingungen, wie beispielsweise einem Störfall in einem Energieversorgungsnetz oder einer anderen herkömmlichen Spannungsquelle, die notwendige Energie zur Verfügung stellen.

[0011] Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Hilfsspule eine geringere Induktivität aufweist als die Spule.

[0012] Weist die Hilfsspule eine geringere Induktivität auf, so ist mit einfachen Mitteln sichergestellt, dass das Hilfsmagnetfeld durch die Induktivität der Hilfsspule und die sich ergebende kleine Zeitkonstante nur während eines begrenzten Zeitintervalls erzeugt ist, welches kürzer ist als das Zeitintervall des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes.

[0013] Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Hilfskondensator und die Hilfsspule einen Teil eines Hilfs-Schwingkreises bilden, dessen Zeitkonstante wesentlich kleiner ist als die Zeitkonstante eines aus der Spule und einem Hauptkondensator gebildeten Hauptschwingkreises.

[0014] Bilden die Spule und der Hauptkondensator sowie der Hilfskondensator und die Hilfsspule Schwingkreise aus, so kann der Antrieb in sehr günstiger Weise angesteuert werden. Der zwischen Hauptkondensator und Spule fließende Hauptstrom erzeugt in der Spule ein Magnetfeld. In dem Hilfsschwingkreis fließt ein Hilfsstrom, welcher in der Hilfsspule das Hilfsmagnetfeld erzeugt. Der Hilfsschwingkreis weist vorteilhaft eine kleinere Zeitkonstante auf, als der Hauptschwingkreis. Diese beiden Magnetfelder können sich vorteilhafterweise räumlich und zeitlich überlagern oder zeitlich nacheinander erzeugt werden. Durch den Hilfskondensator ist das Zeitverhalten des Hilfsschwingkreises in einfacher Weise variierbar, so dass der zeitliche Verlauf des resultierenden Magnetfeldes leicht einstellbar ist.

[0015] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass parallel zur Hilfsspule eine Freilaufdiode geschaltet ist.

[0016] Durch die Freilaufdiode wird mit sehr einfachen Mitteln ein Stromfluss durch die Hilfsspule in nur einer Richtung zugelassen. Somit ist gewährleistet, dass das Hilfsmagnetfeld stets so gerichtet ist, dass es zu dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld stets positiv verstärkend wirkt. Etwaige Ströme, welche ein Hilfsmagnetfeld erzeugen, dass dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist, werden so gesperrt. Derartige Ströme treten während der zweiten Halbwelle der Schwingung im Hilfsschwingkreis auf.

[0017] Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in Reihe zu einer Parallelschaltung, von der Spule einerseits und der Hilfsspule mit in Reihe vorgeschaltetem Hilfskondensator andererseits, der Hauptkondensator geschaltet ist.

[0018] Eine derartige Schaltungsvariante ermöglicht es, den Hauptkondensator und die Spule als Hauptschwingkreis auszubilden und das Schwingungsverhalten des Hauptschwingkreises so zu gestalten, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von Schwingungen, beispielsweise ein oder zwei Schwingungsvorgänge, die Schwingung des Hauptschwingkreises selbsttätig gedämpft ist. Der aus Hilfsspule und Hilfskondensator gebildete Teil des Hilfsschwingkreises verfügt über seine eigene Hilfsspannungsquelle und entlastet den Hauptkondensator von zusätzlicher Last. Weiterhin kann durch den Hilfskondensator die Zeitkonstante des Hilfsschwingkreises eingestellt werden.

[0019] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.

[0020] Dabei zeigt die

Figur 1

eine Vakuumröhre in ihrer Aus-Stellung mit einem zugehörigen elektrodynamischen Linearantrieb, die

Figur 2

eine Vakuumröhre in ihrer Ein-Stellung mit einem zugehörigen elektrodynamischen Linearantrieb, die

Figur 3

eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung eines elektrodynamischen Linearantriebes und die

Figur 4

ein Diagramm der während eines Schaltvorganges auftretenden Ströme durch Spule und Hilfsspule in Abhängigkeit der Zeit.

[0021] Die Figur 1 zeigt eine Vakuumröhre 1 eines Schalters der Mittel- oder Hochspannungstechnik, welche ein erstes feststehendes Kontaktstück 2 sowie ein zweites, mittels eines Antriebes 4 bewegbares Kontaktstück 3, aufweist. Der Antrieb 4 weist eine Spule 5 auf, welche bei einem Stromfluss durch ihre Windungen ein Magnetfeld 6 in axialer Richtung erzeugt. Weiterhin ist zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes eine zur Spule 5 koaxiale Hilfsspule 7 vorgesehen. Zur Lenkung der magnetischen Feldlinien ist die Spule 5 sowie die Hilfsspule 7 in einen Jochkörper 8 eingebettet. Der Jochkörper 8 weist einen mittleren Jochkörperzweig 8a sowie einen ersten seitlichen Jochkörperzweig 8b und einen zweiten seitlichen Jochkörperzweig 8c auf. Senkrecht zu dem Magnetfeld 6 ist ein Anker 9 bewegbar. Der nicht-magnetische Teil des Ankers 9 ist an das zweite bewegbare Kontaktstück 3 angekoppelt. Dem nicht-magnetischen Teil des Ankers 9 ist ein als magnetisch aktiver Teil wirkender Permanentmagnet 10 zugeordnet und mit diesem verbunden. Um das erzeugte Magnetfeld 6 in günstiger Weise längs des Ankers 9 räumlich günstig zu führen, erstreckt sich die Spule 5 die Hilfsspule 7 sowie der Jochkörper 8 jeweils entlang zweier Seiten des Ankers 9, so dass sich ein Luftspalt ausbildet, entlang dessen der nicht-magnetische Teil des Ankers 9 mit dem Permanentmagnet 10 bewegbar ist. Der elektrodynamische Linearantrieb 4 ist bezüglich des Luftspaltes spiegelsymmetrisch aufgebaut.
Alternativ kann sich der Antrieb 4 auch entlang einer einzigen Seite des Ankers 9 erstrecken. Darüber hinaus können auch andere Anordnungen von der Spule 5 und der Hilfsspule 7 bezüglich des Ankers 9 vorgesehen sein.

[0022] In den Endlagen des Permanentmagneten 10, welche der Ein- bzw. der Ausstellung des zweiten bewegbaren Kontaktstückes 3 entsprechen, ist der Permanentmagnet 10 aufgrund der seitlichen Jochkörperzweige 8b, 8c und der entsprechend durch den Permanentmagneten 10 erzeugten magnetischen Kräfte selbsttätig in seiner Lage gehalten. Zur Unterstützung der Haltekräfte im eingeschalteten Zustand ist eine ortsfest gelagerte Haltevorrichtung vorgesehen. Diese Haltevorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Haltemagnet 11 und einem ortsfest mit dem Anker 9 bzw. dem zweiten bewegbaren Kontaktstück 3 verbundenen Gegenjoch 12 zum Haltemagnet 11. In der Ein-Stellung (Figur 2) der Vakuumröhre 1 befindet sich das Gegenjoch 12 im Wirkbereich des Haltemagnetes 11. Durch die von dem Haltemagnet 11 ausgehenden Magnetkräfte wird das Gegenjoch 12 von diesem angezogen und dadurch das zweite bewegbare Kontaktstück 3 zusätzlich zu der von dem Permanentmagnet 10 und dem ersten seitlichen Jochkörperzweig 8b bewirkten Selbsthaltekraft gegen das erste feststehende Kontaktstück 2 gepresst. Dies ist insbesondere bei der Anwendung in einem Vakuumschalter wichtig. In der Aus-Stellung befindet sich das Gegenjoch 12 außerhalb des von dem Haltemagnet 11 ausgehenden Magnetfeldes. Zusätzlich kann das Gegenjoch 12 so angeordnet sein, dass es als mechanischer Anschlag zum Begrenzen der Bewegungsbahn des Ankers 9 wirkt.

[0023] Die in der Figur 3 gezeigte Schaltung zeichnet sich durch einen sehr einfachen, aus wenigen Bauelementen bestehenden Aufbau aus. In einem ersten Parallelzweig 13 ist die Spule 5 angeordnet. In einem zweiten Parallelzweig 14 ist die Hilfsspule 7 angeordnet. Weiterhin ist im zweiten Parallelzweig 14 in Reihe zu der Hilfsspule 7 ein Hilfskondensator 15 vorgesehen. Parallel zu der Hilfsspule 7 ist eine Freilaufdiode 16 geschaltet. In Reihe zu dem ersten Parallelzweig 13 und dem zweiten Parallelzweig 14 ist ein Hauptkondensator 17 geschaltet. Der Hauptkondensator 17 und die Spule 5 bilden einen Hauptschwingkreis aus. Die Hilfsspule 7 und der Hilfskondensator 15 sind Teil eines Hilfsschwingkreises. Mittels eines Schalters 18 sind der Hauptschwingkreis sowie der Hilfsschwingkreis schließbar und auftrennbar. Die Induktivität der Hauptspule 5 ist größer als die Induktivität der Hilfsspule 7. Aufgrund dieser elektrischen Größen ist die Zeitkonstante des Hauptschwingkreises größer als die Zeitkonstante des Hilfsschwingkreises, das heißt, bei geschlossenem Halter 18 pendelt zwischen dem Hauptkondensator 17 und der Hauptspule 5 ein Strom mit einer kleineren Frequenz als ein zwischen der Hilfsspule 7 und dem Hilfskondensator 15 pendelnder Strom.

[0024] Der Hauptkondensator 17 sowie der Hilfskondensator 15 sind durch eine in der Figur 3 schematisch dargestellte Ladeeinrichtung 21 aufladbar. Wird nunmehr der Schalter 18 geschlossen, das heißt, der elektrodynamische Antrieb 4 soll in Betrieb gesetzt werden, so treibt der Hilfskondensator 15 über den nunmehr geschlossenen Stromkreis einen Strom durch die Hilfsspule 7. Das dabei erzeugte Magnetfeld bewegt den Permanentmagneten 10 und die mit ihm verbundenen Teile in Richtung der Spulenmitte. Aufgrund der relativ kleinen Zeitkonstante steigt dieser Strom sehr schnell, sehr stark an und klingt auch sehr schnell wieder ab. Gleichzeitig treibt der Hauptkondensator 17 einen Strom durch die Hauptspule 5. Aufgrund der größeren Zeitkonstante steigt dieser Strom jedoch langsamer und auf ein kleineres Maximum an als der durch die Hilfsspule 7 fließende Strom. Nach dem Abklingen des Stromes durch die Hilfsspule 7 und dem damit verbundenen Aufladen des Hilfskondensators 15 ändert sich die Polarität des nunmehr zurückfließenden Stromes. Dieser zurückfließende Strom wird über die entsprechend geschaltete Freilaufdiode 16 an der Hilfsspule 7 vorbeigeleitet und entlädt den Hilfskondensator 15. Der in dem Hauptschwingkreis fließende Strom wechselt nach seinem Abklingen ebenfalls seine Polarität und bewirkt damit eine Änderung der Polarität des durch die Spule 5 erzeugten Magnetfeldes. Zu diesem Zeitpunkt hat der Permanentmagnet 10 bereits den mittleren Jochkörperzweig 8a passiert, so dass der bisher in Richtung der Spulenmitte beschleunigte Permanentmagnet 10 aus der Spulenmitte heraus in Richtung eines der seitlichen Jochkörperzweige 8b,8c abgestoßen wird.

[0025] Die Wahl der elektrischen Eigenschaften der Spule 5 sowie des Hauptkondensators 17 kann dabei so erfolgen, dass nach einer gewünschten Anzahl von Schwingungen, beispielsweise einer Schwingung von einer Periodendauer, durch die natürliche Dämpfung des Hauptschwingkreises der im Hauptschwingkreis fließende Strom nahezu auf die Stromstärke O gedämpft wird. Durch die Wahl des Hilfskondensators 15 ist der Scheitelwert bzw. die Frequenz des im Hilfsschwingkreis fließenden Stromes einstellbar.

[0026] In der Figur 4 ist der zeitliche Verlauf des durch die Spule 5 fließenden Stromes 19 und des durch die Hilfsspule 7 fließenden Stromes 20 während einer Schaltbewegung dargestellt. Zwischen dem Betrag der Ströme und dem in der Spule 5 bzw. der Hilfsspule 7 erzeugten Magnetfeld besteht eine Proportionalität, so dass aus dem Diagramm direkt der Verlauf der auf das Kontaktstück wirkenden Beschleunigungskraft während eines Schaltvorganges erkennbar ist.

Ansprüche

1. Elektrodynamischer Linearantrieb (4), insbesondere Antrieb (4) für einen elektrischen Schalter, bei welchem ein magnetisch aktiver Teil (10) von einem durch eine stromdurchflossene Spule (5) erzeugten Magnetfeld (6) bewegbar ist, wobei zusätzlich zu der Spule (5) eine Hilfsspule (7) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsspule für einen begrenzten Zeitraum während einer Anfangsphase der Bewegung des magnetisch aktiven Teiles (10) ein Hilfsmagnetfeld erzeugt.

2. Linearantrieb (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spule (5) und die Hilfsspule (7) Teil einer gemeinsamen Wicklung sind.

3. Linearantrieb (4) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsspule (7) von einer Hilfsspannungsquelle, insbesondere einem Hilfskondensator (15), gespeist ist.

4. Linearantrieb (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsspule (7) eine geringere Induktivität aufweist als die Spule (5).

5. Linearantrieb (4) nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hilfskondensator (15) und die Hilfsspule (7) einen Teil eines Hilfs-Schwingkreises bilden, dessen Zeitkonstante wesentlich kleiner ist als die Zeitkonstante eines aus der Spule (5) und einem Hauptkondensator (17) gebildeten Hauptschwingkreises.

6. Linearantrieb (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
parallel zur Hilfsspule (7) eine Freilaufdiode (16) geschaltet ist.

7. Linearantrieb (4) nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Reihe zu einer Parallelschaltung, von der Spule (5) einerseits und der Hilfsspule (7) mit in Reihe vorgeschaltetem Hilfskondensator (15) andererseits, der Hauptkondensator (17) geschaltet ist.

Claims

1. Electrodynamic linear drive (4), in particular a drive (4) for an electrical switch, in which a magnetically active part (10) can be moved by a magnetic field (6) which is produced by a coil (5) through which a current flows, with an auxiliary coil (7) being provided in addition to the coil (5), characterized in that the auxiliary coil produces an auxiliary magnetic field for a limited time period during an initial phase of the movement of the magnetically active part (10).

2. Linear drive (4) according to Claim 1,
characterized in that
the coil (5) and the auxiliary coil (7) are part of a common winding.

3. Linear drive (4) according to one of Claims 1 or 2,
characterized in that
the auxiliary coil (7) is fed from an auxiliary voltage source, in particular an auxiliary capacitor (15).

4. Linear drive (4) according to one of Claims 1 to 3,
characterized in that
the auxiliary coil (7) has a lower inductance than the coil (5).

5. Linear drive (4) according to one of Claims 3 or 4,
characterized in that
the auxiliary capacitor (15) and the auxiliary coil (7) form a part of an auxiliary resonant circuit whose time constant is considerably shorter than the time constant of a main resonant circuit which is formed from the coil (5) and a main capacitor (17).

6. Linear drive (4) according to one of Claims 1 to 5,
characterized in that
a freewheeling diode (16) is connected in parallel with the auxiliary coil (7).

7. Linear drive (4) according to one of Claims 5 or 6,
characterized in that
the main capacitor (17) is connected in series with a parallel circuit with the coil (5) on one side and the auxiliary coil (7) with the series-connected auxiliary capacitor (15) on the other side.

Revendications

1. Entraînement (4) linéaire électrodynamique, notamment entraînement (4) d'un interrupteur électrique, dans lequel une partie (10) active magnétiquement peut être déplacée par un champ (6) magnétique produit par une bobine (5) dans laquelle passe du courant, une bobine (7) auxiliaire étant prévue en plus de la bobine (5),
caractérisé en ce que
la bobine auxiliaire produit un champ magnétique auxiliaire pendant un laps de temps limité pendant une phase initiale du déplacement de la partie (10) active magnétiquement.

2. Entraînement (4) linéaire suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que
la bobine (5) et la bobine (7) auxiliaire font partie d'un enroulement commun.

3. Entraînement (4) linéaire suivant l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
la bobine (7) auxiliaire est alimentée par une source de tension auxiliaire, notamment par un condensateur (15) auxiliaire.

4. Entraînement (4) linéaire suivant l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
la bobine (7) auxiliaire a une inductance plus petite que la bobine (5).

5. Entraînement (4) linéaire suivant l'une des revendications 3 ou 4,
caractérisé en ce que
le condensateur (15) auxiliaire et la bobine (7) auxiliaire forment une partie d'un circuit oscillant auxiliaire dont la constante de temps est sensiblement plus petite que la constante de temps d'un circuit oscillant principal formé de la bobine (5) et d'un condensateur (17) principal.

6. Entraînement (4) linéaire suivant l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce qu'une
diode (16) de roue libre est montée en parallèle à la bobine (7) auxiliaire.

7. Entraînement (4) linéaire suivant l'une des revendications 5 ou 6,
caractérisé en ce que
le condensateur (17) principal est monté en série avec un circuit parallèle constitué de la bobine (5), d'une part, et de la bobine (7) auxiliaire ayant le condensateur (15) auxiliaire monté en série en amont, d'autre part.

Zeichnung