DE10133702C1 - Schaltvorrichtung und deren Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zur Unterbrechung beziehungsweise Verbindung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis. Erfindungsgemäß umfasst die Schaltvorrichtung zumindest zwei gegeneinander verschiebbare magnetische Schaltstücke (1a, 1b), die an den einander gegenüberliegenden Flächen eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen aufweisen, derart, dass in einer Einschaltposition (E) die Schaltstücke (1a, 1b) mit ihren nicht vertieften Bereichen (200) gegenüberliegend angeordnet sind, so dass ein magnetischer Fluss zwischen den Teilabschnitten (20, 40) gewährleistet ist, und in einer Ausschaltposition (A) die Schaltstücke (1a, 1b) derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass Vertiefungen (100) und nicht vertiefte Bereiche (200) benachbarter Schaltstücke (1a, 1b) einander gegenüberliegend angeordnet sind, derart, dass aufgrund eines entstehenden Luftspaltes (300) beziehungsweise einer Vielzahl hintereinander angeordneter Luftspalte (300) der magnetische Fluss unterbrochen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zur Unterbrechung beziehungsweise Freischaltung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis. Bevorzugt findet die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung Anwendung in dem Magnetantrieb eines Schützes oder Relais.

Derartige Schaltvorrichtungen sind bislang nicht bekannt. Bei Magnetantrieben o. g. elektrischer Schaltgeräte ist bislang lediglich bekannt, Magnetkreis bestehend aus Joch mit Antriebsspule und beweglich geführtem Anker durch Trennung von Joch und Anker zu realisieren.

Permanentmagnetgestützte Magnetantriebe, bei denen die Haltekraft für den angezogenen Magnetanker mittels Permanentmagnet erzeugt wird, werden zum Beispiel durch ein magnetisches Gegenfeld elektronisch geschaltet. Die hierfür erforderliche Energie kann durch einen Kondensator bereitgestellt werden, der während des Anzugs aufgeladen wird. Diese Ausführung ist allerdings technisch aufwendig und nicht drahtbruchsicher.

Es sind ferner elektromagnetische Antriebe bekannt, deren beweglicher Anker mittels einer oder mehrerer Spulen, welche ein U-förmiges Joch umschließen, durch Bestromung der Spulen an das Joch angezogen wird. Um den Anker in angezogener Position zu halten wird hierbei derselbe über einen Verriegelungsmechanismus verriegelt und in seiner Lage fixiert. Der Magnetantrieb benötigt dann keinen Haltestrom für die Spule mehr. Entriegelt wird der Verriegelungsbaustein durch Anlegen einer Spannung an einen wirkenden Elektromagneten. Derartige Antriebe sind aus der DE 26 25 292 A1 und der EP 0 578 984 A2 bekannt. Diese Antriebe benötigen zwar keinen Haltestrom mehr, erfüllen aber derzeitige Sicherheitsstandards nur unzureichend (keine Drahtbruchsicherheit). Auch ist der technische Aufwand zur Realisierung dieser Lösung beachtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung zu schaffen die eine einfache Unterbrechung und Freischaltung des magnetischen Flusses eines Magnetkreises gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Die Schaltvorrichtung wird in den zu schaltenden Magnetkreis zwischen zwei Teilabschnitte eines magnetischen Leiters zwischengeschaltet und umfasst gemäß der Erfindung zwei gegeneinander umpositionierbare, insbesondere verschiebbar gelagerte magnetische Leiter. Der besseren Verständlichkeit halber werden die gegeneinander umpositionierbaren magnetischen Leiter als Schaltstücke bezeichnet. Die Schaltstücke weisen an den einander gegenüberliegenden Flächen eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen auf derart, dass in einer Einschaltposition die Schaltstücke mit ihren nicht vertieften Bereichen gegenüberliegend angeordnet sind, so dass ein magnetischer Fluß zwischen den Teilabschnitten des magnetischen Leiters gewährleistet ist, und in einer Ausschaltposition die Schaltstücke mit ihren vertieften Bereichen einander gegenüberliegend angeordnet sind derart, dass aufgrund eines entstehenden Luftspaltes beziehungsweise einer Vielzahl hintereinander angeordneter Luftspalte der magnetische Fluß des Magnetkreises unterbrochen ist. Mit Vorteil sind die Schaltstücke als Bleche ausgebildet. Die Bleche (vorzugsweise bestehend aus dem Material herkömmlicher Trafobleche) der Schaltstücke sind bevorzugt identisch d. h. insbesondere eine identische Oberflächenstruktur aufweisend ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff. In einer besonders bevorzugten Ausführung besteht die Schaltvorrichtung aus einer Vielzahl von Blechen deren Vertiefungen durch eine Mikrostruktur der Oberfläche gebildet sind und wobei jeweils abwechselnd ein Blech ortsfest und das jeweils benachbarte Blech verschiebbar gelagert sind. Die Schaltvorrichtung wir dabei vorzugsweise durch einen Aktor, der mit jedem verschiebbar beweglich gelagerten Blech zwecks Bewegung verbunden ist, angetrieben beziehungsweise geschaltet. Da aufgrund der Mikrostruktur nur kleinste Wege für eine Schaltbewegung erforderlich sind, wird als Aktor bevorzugt ein Piezoelement verwendet.

Eine bevorzugte Anwendung findet die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung in Antrieben von Schaltgeräten mit Magnetantrieb bei denen der Magnetanker durch einen Permanentmagneten in angezogener Position (Haltebetrieb) gehalten ist, wie Schütz- oder Relaisantriebe. Hierbei wird die Schaltvorrichtung vorzugsweise durch Zwischenschaltung in das Magnetjoch in den Magnetkreis des Magnetantriebes zwischengeschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung in dem Magnetkreis eines Schützantriebes;

Fig. 2 die Schaltvorrichtung gemäß Fig. 1 in Position eingeschaltet;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung gemäß Fig. 1 in Position ausgeschaltet;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines als Blech ausgebildeten Schaltstückes bzw. Teil eines Schaltstückes; und

Fig. 5a und 5b eine alternative Ausführungsform für einen Aktor zum Antrieb der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1 integriert in den Magnetkreis eines Schützantriebs. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 1 dient der Unterbrechung beziehungsweise Verbindung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis, wobei dieser einen magnetischen Leiter 2 zur Leitung bzw. Führung des magnetischen Flusses umfasst.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst der Magnetkreis beispielsweise einen zweiteiligen Magnetkern als magnetischen Leiter 2, bestehend aus einem Magnetjoch 2a mit Antriebsspulen 4 und einem Magnetanker 2b. Unterstützt wird das Magnetfeld durch die Anordnung eines Permanentmagneten 3.

Die Schaltvorrichtung 1 ist zwischen Teilabschnitte 20, 40 des magnetischen Leiters 2 zwischengeschaltet und umfasst zumindest zwei gegeneinander umpositionierbare, insbesondere gegeneinander verschiebbar gelagerte magnetische Schaltstücke 1a, 1b. Die magnetischen Schaltstücke 1a, 1b sind quer, insbesondere senkrecht zur Richtung des Magnetflusses angeordnet und bestehen aus einem magnetisch leitfähigen Material, insbesondere einem ferromagnetischen Werkstoff. Sie weisen an den einander gegenüberliegenden Flächen eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen 100 auf derart, dass in einer Einschaltposition E die Schaltstücke 1a, 1b mit ihren nicht vertieften Bereichen 200 gegenüberliegend angeordnet sind, so dass ein magnetischer Fluß zwischen den Teilabschnitten 20, 40 gewährleistet ist, und in einer Ausschaltposition A die Schaltstücke 1a, 1b derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass Vertiefungen 100 und nicht vertiefte Bereiche 200 benachbarter Schaltstücke 1a, 1b einander gegenüberliegend angeordnet sind derart, dass aufgrund eines entstehenden Luftspaltes 300 beziehungsweise einer Vielzahl hintereinander angeordneter Luftspalte 300 der magnetische Fluß unterbrochen ist.

Die Schaltvorrichtung 1 umfasst vorzugsweise ein Gehäuseteil 1c in dem die insbesondere als Bleche ausgebildeten Schaltstücke 1a, 1b angeordnet sind. Mit Vorteil besteht zumindest eines der Schaltstücke 1a, 1b aus einer Mehrzahl von Blechen. Die Bleche bestehen vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Werkstoff (Ferro- bzw. Trafobleche). Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jedes Schaltstück 1a, 1b aus insgesamt vier identisch ausgebildeten Einzelblechen, die allesamt jeweils beidseitig eine identische Oberflächenstruktur mit Vertiefungen 100 aufweisen. Jedes zweite Blech ist ortsfest, insbesondere kammartig in Führungsnuten des Gehäuses 1c gehalten (Schaltstück 1a), während jedes davon benachbarte Blech verschiebbar im Gehäuse 1c gelagert ist. Zur Betätigung der Schaltvorrichtung sind die beweglich gelagerten Bleche des Kontaktstückes 1b mit einem Aktor 6 gekoppelt. Die Oberflächenstruktur ist in Form einer Mikrostruktur gebildet. Die Vertiefungen 100 der Oberflächen sind beispielsweise durch parallel angeordnete Nuten (Fig. 1-3) oder eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Sacklöcher gebildet. Um eine Optimierung des Luftspaltes 300 in der Ausschaltposition A zu erreichen, sind die Vertiefungen 100 im Längsschnitt gesehen in ihrer Öffnung nach außen trapezförmig erweitert. Da aufgrund der Oberflächenstruktur der Schaltstücke 1a, 1b in Mikrostruktur nur sehr geringe Wege zur Überführung der Schaltvorrichtung 1 von einer Ausschaltposition A in eine Einschaltposition E und umgekehrt erforderlich sind, wird bevorzugt ein Piezoelement als Aktor 6 verwendet.

Die Vertiefungen 100 sind vorzugsweise mit einem nicht magnetisierbaren Füllstoff 8 wie zum Beispiel einer Lackschicht (insbesondere einer Lackschicht mit guten Gleiteigenschaften bzw. mit geringem Reibungskoeffizienten) ausgefüllt, so dass eine ebene Oberfläche mit nicht lackierten Bereichen 200 der strukturierten Bleche entsteht. Anstelle einer Lackschicht können auch andere Schichten, wie Teflon oder dergleichen Verwendung finden.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung in Einschaltposition E. Hierfür sind die nicht vertieften (erhabenen) Bereiche 200 der benachbarten Bleche deckungsgleich im wesentlichen ohne Zwischenraum zu einer ferromagnetischen Einheit verbunden. Zur Überführung von der dargestellten Einschaltposition E, in der ein optimaler Magnetfluß gewährleistet ist, in eine Ausschaltposition A ist der Aktor 6 (Piezoelement) zu "aktivieren". Vorzugsweise wird der Aktor "aktiviert", indem er stromlos geschaltet wird. Somit wird eine Drahtbruchsicherheit des Systems (Schaltvorrichtung und Aktor) erreicht. Unter "Aktivieren" des Aktors 6 ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass der Aktor 6 veranlasst wird, die Schaltvorrichtung zu betätigen. Bevorzugt geschieht das, indem der Aktor 6 strombeaufschlagt wird und in diesem Zustand (der i. S. d. Erfindung als nicht aktiviert gilt) die Schaltstücke 1a, 1b in einer bestimmten Position (insbesondere Einschaltposition) hält und bei Übergang in den stromlosen Zustand die Schaltstücke 1a, 1b sicher in die andere Position (insbesondere Ausschaltposition) überführt.

Die Ausschaltposition gemäß Fig. 3 wird dann bevorzugt durch Stromlosschalten des Aktors (hier: Piezoaktor) erreicht. In der Ausschaltposition steht jeweils eine Vertiefung 100 eines ersten Bleches einem nicht vertieften Bereich 200 eines benachbarten Bleches gegenüber. Hierdurch wird ein Zwischenraum, der Luftspalt 300, zwischen den benachbarten Blechen geschaffen. Durch die Vielzahl parallel flächig nebeneinander angeordneter Bleche addieren sich die Einzelluftspalte je zweier benachbarter Bleche zu einem Gesamtluftspalt entsprechend höheren magnetischen Widerstands, so dass eine sichere Unterbrechung des Magnetflusses im Magnetkreis gewährleistet ist.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine alternative Ausführung für einen möglichen Aktor 6 zum Antrieb der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung. Hierbei ist der Aktor 6 als durch einen elektrischen Hubmagneten angetriebenen Kipphebelmachanismus gebildet.

Claims (10)

1. Schaltvorrichtung (1) zur Unterbrechung beziehungsweise Verbindung des magnetischen Flusses in einem Magnetkreis,
wobei der Magnetkreis einen magnetischen Leiter (2) zur Leitung des magnetischen Flusses umfasst,
die Schaltvorrichtung (1) zwischen Teilabschnitte (20, 40) des magnetischen Leiters (2) zwischengeschaltet ist, und
die Schaltvorrichtung (1) zumindest zwei gegeneinander umpositionierbare magnetische Schaltstücke (1a, 1b) umfasst,
die Schaltstücke (1a, 1b) an den einander gegenüberliegenden Flächen eine Oberflächenstruktur mit Vertiefungen (100) aufweisen derart,
dass in einer Einschaltposition (E) die Schaltstücke (1a, 1b) mit ihren nicht vertieften Bereichen (200) gegenüberliegend angeordnet sind,
und in einer Ausschaltposition (A) die Schaltstücke (1a, 1b) derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Vertiefungen (100) und die nicht vertieften Bereichs (200) benachbarter Schaltstücke (1a, 1b) einander gegenüberliegend angeordnet sind.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (100) mit einem nicht magnetisierbaren Füllstoff (8), insbesondere einer Lackschicht, gefüllt sind.

3. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstücke (1a, 1b) als Bleche, insbesondere Ferrobleche, ausgebildet sind.

4. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Schaltstücke (1a, 1b) - vorzugsweise jedes Schaltstück (1a, 1b) - durch eine Vielzahl von Blechen gebildet ist, wobei ein Schaltstück (1a) ortsfest gelagert und das andere Schaltstück (1b) verschiebbar gelagert ist, und wobei abwechselnd von den parallel angeordneten Blechen jeweils eines dem ortsfesten Schaltstück (1a) und das benachbarte Blech dem verschiebbar gelagerten Schaltstück (1b) zugeordnet ist.

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfest gelagerten Bleche in Führungsnuten eines gemeinsamen Gehäuses (1c) kammartig gehalten sind.

6. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche des verschiebbar gelagerten Schaltstückes (1b) einendig an einen gemeinsamen Aktor (6), insbesondere einen Piezoaktor, gekoppelt sind.

7. Schaltvorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (6) derart ausgebildet ist, dass er bei Überführung in den stromlosen Zustand die Schaltstücke (1a; 1b) in die Ausschaltposition (A) überführt.

8. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (100) in Form einer Mikrostruktur, insbesondere in Form von parallel angeordneten Nuten oder einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Sacklöcher ausgebildet sind.

9. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (100) im Längsschnitt gesehen sich in Ihrer Öffnung nach außen trapezförmig erweiternd ausgebildet sind.

10. Verwendung der Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Unterbrechung des Magnetkreises eines elektromagnetischen Antriebs für ein Schütz oder ein Relais.