DE102007028203B3

DE102007028203B3 - Magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102007028203B3
Application number: DE102007028203A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Reiner Dipl.-Ing. Volkmar
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-06-16
Also published as: MX2009013440A; EP2165347B1; ES2569903T3; CN101772820B; EP2165347A1; CN101772820A; WO2008151959A1; US20100176902A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung mit einem Magnetjoch (2, 3), in dem ein massiver Anker (8) aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegengesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, mit wenigstens einem Permanentmagneten (6, 7) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch (2, 3) und mit wenigstens einer Spule, durch die der Anker (8) zwischen seinen Endlagen hin und her bewegbar ist, wobei der Anker (8) zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten mit länglichen Hohlkanälen (11, 12, 13) versehen ist. Damit die Stabilität des Ankers (8) durch die eingebrachten Hohlkanäle (11, 12, 13, 13') nicht übermäßig reduziert wird, ist vorgesehen, die Hohlkanäle (11, 12, 13, 13') im Anker (8) an ihrem Umfang geschlossen auszubilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art.
Eine derartiges bipolares Antriebssystem ist z. B. aus der DE 197 09 089 A1 bereits bekannt. Der Anker besteht hierbei aus einem massiven magnetischen Eisenwerkstoff, wodurch er sich kostengünstiger fertigen lässt als ein aus geschichteten Elektroblechen zusammengesetzter Anker und häufig auch eine größere Langzeitstabilität aufweisen wird. Dafür hat der massive Anker an sich den Nachteil, dass gegenüber Ankern aus geschichtetem Elektroblech mehr Wirbelstromverluste auftreten und eine stärkere Remanenz vorhanden ist, die u. a. das Lösen der Schaltkontakte beim Umschalten erschwert. Um die Wirbelstromverluste zu reduzieren, ist der Anker mit länglichen Hohlkanälen versehen, die aus schmalen Schlitzen bestehen und sich in Vorschubrichtung des Ankers und somit in Richtung der magnetischen Feldlinien erstrecken. Die vorgesehenen Schlitze an den Schmalseiten des Ankers schwächen den quaderförmigen Anker dabei über jeweils ein Drittel seiner Querschnittsbreite und über seine gesamte Länge. Aus den Breitseiten des Ankers sind zudem nebeneinander mehrere parallele Schlitze ausgespart, die sich allerdings nicht über die gesamte Länge des Ankers erstrecken sondern in einem Abstand zu den Stirnseiten des Ankers enden. Insgesamt ist die mechanische Stabilität des Ankers aber durch die Schlitze erheblich beeinträchtigt. Deshalb ist vorgesehen, die Stabilität des Ankers nach Einbringen der Schlitze durch Füllen derselben mit Isoliermaterial wieder zu erhöhen. Gerade weil diese Schlitze aus technischen Gründen möglichst eng sein sollen, ist das Auffüllen der Schlitze technisch aber entsprechend schwierig und verteuert die Herstellung des Ankers erheblich.
Um der stärkeren Remanenz des Ankers zu begegnen, sollen die Übergänge zwischen der Kontaktfläche des Ankers und den Jochblechen bedarfsgerecht angepasst werden können. Eine Verminderung der Kontaktfläche führt zwar zu einem verbesserten Ansprechverhalten im Sinne einer kürzeren Schaltzeit, muss jedoch mit dem Nachteil einer reduzierten Haftkraft des Ankers erkauft werden. Da eine zu geringe Haftkraft des Ankers sich jedoch nachteilig auf die Betriebssicherheit des magnetischen Antriebssystems auswirkt, wird das bekannte Antriebssystem den konstruktiven Anforderungen bei vielen Anwendungsfällen nicht gerecht werden können.
Weiterhin ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 08 492 A1 ein elektromagnetischer Aktuator mit einem plattenförmigen Anker bekannt, der zur Verminderung der Wirbelstrombildung mit schlitzförmigen Durchbrechungen versehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Antriebssystem der im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Stabilität des Ankers durch dessen Gestaltung zur Reduzierung der Wirbelstromverluste nicht übermäßig reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße magnetische Antriebssystem für eine Schalteinrichtung umfasst ein Magnetjoch, in dem ein massiver Anker aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegen gesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, und wenigstens einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch und wenigstens eine Spule, durch die der Anker zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist, wobei der Anker zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten mit länglichen Kanälen versehen ist und die Kanäle im Anker an ihrem Umfang umlaufend geschlossen sind.
Durch die Anordnung von umlaufend geschlossenen Kanälen (Hohlkanälen) im Anker wird auf einfache Weise erreicht, dass die Stabilität des Ankers kaum beeinträchtigt wird. Somit kann das technisch aufwändige Füllen der Kanäle entfallen.
Vorzugsweise bestehen die in den Anker eingebrachten Kanäle aus Bohrungen mit relativ geringem Hohlquerschnitt. Solche Bohrungen müssen nicht zwingend kreisrund sein, sondern können auch z. B. einen ovalen Querschnitt aufweisen. Möglichst sollte der Hohlquerschnitt aber so gestaltet sein, dass an der den Hohlquerschnitt begrenzende Umfangswand keine scharfen Ecken vorhanden sind.
Bei nachträglich in den Ankerblock eingebrachten Bohrungen ist es aber vorteilhaft, wenn die Bohrungen kreisrund sind, weil sie sich dann kostengünstig mit Drillbohrern erzeugen lassen.
Vor der technischen Wirkung her und auch fertigungstechnisch ist es günstig, wenn die Bohrungen im Anker gerade Durchgangsbohrungen sind. Alternativ können die Bohrungen als Sacklochbohrungen ausgebildet sein, die von beiden Seitenflächen aus gebohrt werden.
Die technische Wirkung eines Spalts im Hinblick auf die Reduzierung der Wirbelstromverluste lässt sich näherungsweise erreichen, wenn mehrere Kanäle des Ankers mit geringem Abstand zu einer Lochreihe oder zu mehreren Lochreihen aneinandergereiht sind. Mehrere Lochreihen werden dabei zweckmäßig parallel zueinander jeweils entlang einer geraden Linie ausgerichtet.
Besonders wirkungsvoll ist es, wenn die von den Ankerführungsstangen durchdrungenen Stirnseiten des Ankerblocks über mindestens eine Lochreihe oder mehrere, insbesondere zwei, drei oder vier parallele Lochreihen von Durchgangslöchern verbunden sind, die parallel zu den Breitseiten des Ankers nahe dem Loch der Ankerführungsstange verlaufen. Mittig zwischen diesen Lochreihen kann mindestens eine weitere Lochreihe oder mehrere, insbesondere zwei, drei oder vier Lochreihen vorgesehen werden, die sich entlang der Mittellängsebene des Ankers zwischen dessen Schmalseiten erstreckt bzw. erstrecken.
Eine weitere technische Verbesserung wird erzielt, wenn auch die Breitseiten des Ankerblocks über mehrere Reihen weitgehend von Durchgangsbohrungen perforiert sind. Hier können neben der Querebene der Ankerführungsstange zwei Felder mit Bohrungsreihen angeordnet werden. Sind zwei Ankerführungsstangen in entgegen gesetzten Sacklochbohrungen des Ankers befestigt, so kann ein zwischen den Sacklochenden verbleibender Ankerbereich mit Vollmaterial zusätzlich noch für eine zentrale Anordnung einer Durchgangsbohrung genutzt werden.
Der in allen drei Raumrichtungen von Bohrungen durchsetzte Ankerblock sorgt neben der Reduzierung der Wirbelstromverluste auch bereits für eine deutliche Herabsetzung der Remanenzneigung. Die Verminderung der Remanenz wird nochmals größer, wenn auch die mit den Anschlagflächen des Ankers zusammenwirkenden Gegenflächen von jeweils einer oder von jeweils mehreren Lochreihen perforiert sind.
Das Magnetsystem hat insgesamt gegenüber dem bekannten System mit Schlitzen als Hohlkanäle den Vorteil, dass die Ausbildung von Wirbelströmen in allen drei Achsrichtungen behindert und somit reduziert wird. Die Betriebssicherheit bleibt dabei nahezu ungeschmälert erhalten, da sich die Haftkraft bei gleicher Gesamtinduktion nur unwesentlich reduziert und gleichzeitig die Remanenzinduktion des Magnetkreises absinkt. Letzterer Effekt beruht im Wesentlichen darauf, dass die magnetische Induktion im Anker lediglich lokal gezielt in den Sättigungsbereich hinein erhöht und dadurch die lokale Permeabilität abgesenkt wird. Infolge der zahlreichen Kanäle im Anker ist zudem die Ankermasse geringer, so dass sich insgesamt eine geringere Remanenz verbunden mit verbesserten dynamischen Eigenschaften des Ankers bzw. des gesamten Magnetsystems ergibt.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung zu entnehmen, wobei einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Tragstruktur eines magnetischen Antriebssystems in perspektivischer Schrägansicht,
2 einen Anker der Tragstruktur in perspektivischer Einzelansicht schräg von links,
3 den Anker der Tragstruktur in perspektivischer Einzelansicht schräg von rechts,
4 eine Frontalansicht einer Schmalseite des separaten Ankerblocks,
5 eine Frontalansicht einer Breitseite des separaten Ankerblocks,
6 einen Schnitt durch den Ankerblock gemäß der Schnittlinie VI-VI in 5 und
7 eine Frontalansicht einer Stirnseite des separaten Ankerblocks.
In 1 ist eine tragende Struktur 1 eines nicht in der Gesamtheit dargestellten permanentmagnetischen Antriebssystems zur Betätigung einer Schalteinrichtung zu sehen. Diese Struktur 1 umfasst einen quaderförmigen Rahmen, der aus zwei Magnetjochen 2 und 3 unter Zwischenfügung von zwei Lagerplatten 4 und 5 zusammengesetzt ist. Beide Magnetjoche 2 und 3 sind spiegelsymmetrisch gestaltet und besitzen an den beiden Enden jeweils um 90 Grad abgewinkelte Jochschenkel, so dass sie hinsichtlich ihrer Grundform etwa U-förmig gestaltet sind. Die planen Endflächen der gegeneinander gerichteten Jochschenkel der Magnetjoche 2 und 3 liegen oben flächig an der zugewandten Seitenfläche der Lagerplatte 4 und unten an der zugewandten Seitenfläche der Lagerplatte 5 an, wobei die korrespondierenden Jochschenkel über die Lagerplatten 4 bzw. 5 miteinander verbunden sind. Im Mittelbereich zwischen den Jochschenkeln ragt von den Magnetjochen 2 und 3 jeweils ein vorspringender Polschenkel ab, wobei die einander gegenüberliegenden Polschenkel entsprechend den Jochschenkeln gegeneinander gerichtet sind. Auf den einander mit Abstand gegenüberliegenden Enden der Polschenkel sind plattenförmige Permanentmagnete 6 bzw. 7 befestigt.
Zwischen den planparallelen Permanentmagneten 6 und 7 liegt mit geringem Abstand zu diesen ein quaderförmiger Anker 8 im Jochrahmen, der in der gezeichneten Position an der Lager platte 5 aufliegt. Der Anker 8 umfasst auch zwei Ankerführungsstangen 9 die mittig von der Oberseite bzw. der Unterseite des Ankerblocks abstehen und geometrisch koaxial zueinander angeordnet sind. Die Ankerführungsstangen 9 durchsetzen eine Lagerbohrung 10 in der ihnen zugeordneten Lagerplatte 4 bzw. 5 mit wenig Umfangsspiel und stehen mit einem Endbereich aus der Lagerbohrung 10 ihrer Lagerplatte 4 bzw. 5 heraus, so dass der Anker 8 mittels der Führungsstangen 9 vertikal linear schiebegeführt ist. Der Jochrahmen wäre im Zusammenbau noch mit zwei Spulen den Polschenkeln und den Jochschenkeln versehen, durch deren Magnetfeld der Anker 8 bei entsprechender Polrichtung nach Überwindung seiner Anhaftung an der Lagerplatte 5 in seine obere Endlage verschoben würde, in der sein Vorschub durch Anschlagen an der Unterseite der Lagerplatte 4 begrenzt würde. Nach Umkehrung der Polrichtung des Magnetfeldes würde er nach Überwindung der Anhaftung durch Magnetkräfte wieder nach unten in die gezeigte Endlage auf die Lagerplatte 5 niedergedrückt und in der Anlagestellung gehalten. Die Wirkungsweise solcher Magnetantriebe ist als solche bekannt, so dass hier auf weitergehende Erläuterungen verzichtet wird.
Die Magnetjoche 2 und 3 bestehen hier aus einer Vielzahl dünner Jochbleche, die zu dem gezeigten, dicken Jochblechstapel gefügt sind. Demgegenüber bestehen der Anker 8 sowie die Lagerplatten 4 und 5 aus Blöcken ferromagnetischen Materials bekannter Art, insbesondere aus einer entsprechenden Eisenlegierung.
Zur Reduzierung der Wirbelstromverluste und der Remanenz des Ankers 8 sowie der Lagerplatten 4 und 5 sind in den massiven Block des Ankers 8 eine Vielzahl von Kanälen (Hohlkanälen) 11, 12 und 13 integriert, die hier einen übereinstimmenden Durchmesser von 2 mm bis 3 mm aufweisen, alle als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind und sich nur hinsichtlich ihrer Länge unterscheiden, da sie den Block des Ankers 8 in unterschiedlichen Richtungen durchsetzen. Die Kanäle 11, 12 und 13 können alternativ auch als Sacklochbohrungen ausgebildet sein, die von beiden Seitenflächen aus gebohrt werden.
Wie in Verbindung mit den 2 und 3 deutlicher zu erkennen ist, gehen die Kanäle 11 von der oberen Stirnseite des Ankers 8 aus, verlaufen parallel zur Mittellängsachse der Ankerführungstangen 9 und somit rechtwinklig zur planen Stirnseite bis sie auf der gegenüberliegenden Stirnseite münden. Dabei sind zwei Reihen mit jeweils sechs Kanälen 11 vorhanden, wobei die Kanäle 11 in jeder der beiden Reihen jeweils einen Abstand von ca. 4 mm zum benachbarten Kanal 11 aufweisen. Diese Reihen verlaufen parallel zu den langen Seitenkanten der Stirnseiten und auf entgegen gesetzten Seiten einer mittig in auf der Stirnseite angeordnete Sacklochbohrung 14 mit Innengewinde, in welche die Ankerführungsstange 9 hineingedreht ist. Quer zu diesen Kanälen 11 sind die Kanäle 12 angeordnet, die von einer Schmalseite des Ankers 8 ausgehen und auf der gegenüberliegenden Schmalseite des Ankers 8 münden. Diese insgesamt fünf Kanäle 12 bilden eine gerade Reihe, die mittig zwischen den langen Seitenkanten der Schmalseite angeordnet ist, wie in Verbindung mit 4 zweifelsfrei zu sehen ist. Diese Kanäle 12 verlaufen dadurch aber auch mittig zwischen den beiden Reihen mit den Kanälen 11 und durchdringen auch die Anordnungsebene der Ankerführungsstangen 9. Falls keine Schwächung der Bohrungswand der Sacklochbohrungen 14 erfolgen soll, können die Kanäle 12 deshalb alternativ auch als Sacklochbohrungen ausgebildet sein und in einem Abstand vor der Sacklochbohrung 14 enden. Solche Sacklochbohrungen als Kanäle 12 sollten dann möglichst im gleichen Abstand von der Sacklochbohrung 14 enden wie der seitliche Abstand der Kanäle 11 auf der Stirnseite des Ankers 8. Dieser Abstand ist in der frontalen Draufsicht gemäß 7 gut zu erkennen. In diesem Fall müssten die Kanäle 12 aber von den entgegen gesetzten Stirnseiten aus gebohrt werden, was einen entsprechenden Mehraufwand bei der Herstellung des Ankers 8 zur Folge hätte.
Ebenfalls quer zu den Kanälen 11 und in erheblich größerer Anzahl sind die Kanäle 13 eingebracht, die sich alle rechtwinklig zur Längsmittelebene des Ankers 8 erstrecken. Dabei gehen die Kanäle 13 von einer Breitseite des Ankers 8 aus und münden in die gegenüberliegende Breitseite ein. Das Lochbild auf der Breitseite umfasst dabei zwei rechteckige Lochfelder, die aus drei parallelen Reihen mit jeweils sechs Hohlkanälen 13 bestehen, wobei die Hohlkanäle 13 in der Reihe und seitlich einen übereinstimmenden Abstand voneinander aufweisen. Diese Lochfelder liegen beidseitig eines Mittelbereichs des Ankers 8, in dem die Ankerführungsstangen 9 angeordnet sind.
Zwischen den beiden Lochfeldern aus Hohlkanälen 13 ist zusätzlich zentral ein einzelner Kanal 13' angeordnet, der ebenfalls eine die Breitseiten verbindende Durchgangsbohrung bildet. Wie aus der Frontalansicht nach 5 in Verbindung mit der Schnittdarstellung nach 6 zu ersehen ist, passiert der Hohlkanal 13' hierbei einen Vollmaterialbereich des Ankerblocks, der zwischen den Enden der beiden Sacklochbohrungen 14 verblieben ist. Somit wird die Stabilität des Ankers 8 durch den Kanal 13' nicht nennenswert beeinträchtigt.
Neben den Kanälen im Anker 8 befinden sich auch in den Lagerplatten 4 und 5 Kanäle 15, die sich achsparallel zu den Kanälen 11 erstrecken. Von den Kanälen (Hohlkanälen) 15 sind zwei Reihen mit jeweils sechs Kanälen 15 vorhanden, die vorzugsweise kongruent zu den Kanälen 11 im Anker 8 angeordnet sind.

1: Struktur
2: Magnetjoch
3: Magnetjoch
4: Lagerplatte
5: Lagerplatte
6: Permanentmagnet
7: Permanentmagnet
8: Anker
9: Ankerführungsstangen
10: Lagerbohrung
11: Hohlkanal (Anker)
12: Hohlkanal (Anker)
13: Hohlkanal (Anker)
13': Hohlkanal (Anker)
14: Sacklochbohrung
15: Hohlkanal (Lagerplatte)

Claims

Magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung mit einem Magnetjoch (2, 3), in dem ein massiver Anker (8) aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegengesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, mit wenigstens einem Permanentmagneten (6, 7) zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch (2, 3) und mit wenigstens einer Spule, durch die der Anker (8) zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist, wobei der Anker (8) zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten mit länglichen Kanälen (11, 12, 13, 13') versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (11, 12, 13, 13') im Anker (8) an ihrem Umfang umlaufend geschlossen sind.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (11, 12, 13, 13') des Ankers (8) aus Bohrungen bestehen.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (11, 12, 13, 13') des Ankers (8) Durchgangsbohrungen oder Sacklochbohrungen sind.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere umlaufend geschlossene Kanäle (11, 12, 13, 15) des Antriebssystems zu einer Lochreihe aneinandergereiht sind.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von Kanälen (11, 12, 13, 15) gebildete Lochreihen parallel zueinander verlaufen.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von Ankerführungsstangen (9) durchsetzten Stirnseiten des quaderförmigen Ankers (8) mit mindestens einer Lochreihe von Kanälen (11) versehen sind.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (8) quer zu seiner Vorschubrichtung von einer Kanalanordnung durchsetzt ist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanordnung mindestens eine mittig entlang den Schmalseiten des Ankers (8) verlaufende Reihe von Kanälen (12) aufweist.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanordnung zwei seitlich auf den Breitseiten des Ankers (8) in einem Abstand voneinander angeordnete Lochfelder umfasst, die jeweils aus mehreren von Kanälen (13) gebildeten Lochreihen zusammengesetzt sind.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breitseiten des Ankers (8) mittig über einen zentralen Kanal (13') miteinander verbunden sind, der zwischen Sacklochbohrungen (14) zur Aufnahme der Ankerführungsstangen (9) im Vollmaterial des Ankers (8) verläuft.
Magnetisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Anschlagflächen des Ankers (8) zusammenwirkenden Gegenflächen am Jochkreis mindestens eine Lochreihe mit Kanälen (15) aufweisen.