DE102008030095B4

DE102008030095B4 - Schaltantrieb für einen elektrischen Schalter und elektrischer Schalter

Info

Publication number: DE102008030095B4
Application number: DE200810030095
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erven; Thomas Freyermuth; Berthold Gauxmann; Dr. Terhoeven Peter
Original assignee: Eaton Industries GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: DE102008030095A1

Abstract

Schaltantrieb für ein Kontaktsystem eines elektrischen Schalters (1), wobei der Schaltantrieb mit einem zwischen wenigstens zwei Schaltstellungen bewegbaren Kontaktpartner des Kontaktsystems (4) derart in Wirkverbindung bringbar ist, dass der bewegbare Kontaktpartner motorisch wenigstens in eine der Schaltstellungen bewegbar ist, und wobei der Schaltantrieb einen Piezomotor (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor ein piezoelektrisches Bauelement (21) und einen mit dem piezoelektrischen Bauelement (21) verbundenen Resonator (22) umfasst, der mit einem Übertragungsorgan (3) zur Übertragung des Motormomentes zum Kontaktsystem (4) derart zusammenwirkt, dass das Übertragungsorgan (3) in Abhängigkeit der Bewegung des Resonators (22) bewegbar ist, wobei das Übertragungsorgan (3) ein erstes Rad (30) umfasst, das in Reibkontakt mit dem Resonator (22) steht und durch den Resonator (22) in eine Drehbewegung um seine erste Radachse (32) versetzt werden kann, und dass das Übertragungsorgan (3) ausgelegt ist, um die Drehbewegung des ersten Rades (30) in eine translatorische Bewegung letztlich des bewegbaren Kontaktpartners umzusetzen,...

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Gattungsgemäße Schaltantriebe, die in zahlreichen Ausgestaltungen und Bauarten am Markt vorhanden sind, werden beispielsweise in Schützen verwendet und weisen üblicherweise eine Spule und einen Anker auf, der mit einem Kontaktbrückenträger verbunden ist. Zum Einschalten wird Strom durch eine Spule geleitet, wodurch der Anker angezogen und der Kontaktbrückenträger betätigt wird.
Der Einsatz von Piezoaktoren in Schaltvorrichtungen als Schnellauslöser oder zur Kontaktkraftentwicklung wird beschrieben in J. Jendritza: Technischer Einsatz neuer Aktoren: Band 484, Expertverlag 1995, S. 224–225.
Die DE 103 40 003 A1 offenbart einen piezoelektrischen Aktor, der zur Strommessung und Schlossentklinkung eingesetzt wird.
Aus der DE 10 2006 018 669 A1 ist eine Schaltvorrichtung bekannt, bei der ein Piezo-Bauelement zum Schalten zwischen zwei Schaltzuständen eingesetzt wird. Das Piezo-Bauelement ist dabei so mit einem beweglichen Kontaktelement der Schaltvorrichtung gekoppelt, dass dieses Kontaktelement mittels des Piezo-Bauelements zwischen den beiden Schaltstellungen verstellbar ist.
Die US 4 019 073 offenbart einen Piezomotor, der den reziproken Piezoelektsichen Effekt ausnutzt. Der Piezomotor umfasst einen Rotor und einen Stator, wovon wenigstens einer einen Resonator mit einem Piezo-Bauelement aufweist. Der Rotor und der Stator sind gegeneinander beaufschlagt, so dass ein treibendes Drehmoment übertragen werden kann.
In der US 5 852 336 ist ein Vibrationsmotor beschrieben, bei dem mittels Piezo-Bauelemente ein Rotationsglied in eine Rotationsbewegung versetzt werden kann, durch die ein Relativbewegungselement relativ zum Rotationsglied bewegt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuen Schaltantrieb und einen neuen elektrischen Schalter vorzuschlagen, die jeweils bei gegenüber dem Stand der Technik gleicher oder gesteigerter Funktionalität und kompakter Bauweise einen hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch einen Schaltantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und durch einen elektrischen Schalter mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen definiert.
Der Schaltantrieb für das Kontaktsystem eines elektrischen Schalters ist mit einem zwischen wenigstens zwei Schaltstellungen bewegbaren Kontaktpartner des Kontaktsystems derart in Wirkverbindung bringbar, dass der bewegbare Kontaktpartner motorisch wenigstens in eine der Schaltstellungen bewegbar ist. Erfindungsgemäß weist der Schaltantrieb einen Piezomotor auf.
Der bewegbare Kontaktpartner ist beispielsweise motorisch zwischen den Schaltstellungen und/oder in die vorhergehende Schaltstellung rückbewegbar. Dem Fachmann ist klar, dass eine der Schaltstellung dem Ausschaltzustand und die andere Schaltstellung dem Einschaltzustand des Kontaktsystems entspricht.
Der Piezomotor umfasst ein piezoelektrisches Bauelement und einen mit dem piezoelektrischen Bauelement verbundenen Resonator. Der Resonator wirkt mit einem Übertragungsorgan derart zusammen, dass das Übertragungsorgan in Abhängigkeit der Bewegung des Resonators bewegbar ist. Durch solche Piezomotoren können bei besonders niedrigem Energieverbrauch und besonders kostengünstiger Herstellung motorisch zu bewegende Stellelemente so gut wie geräuschlos über äußerst exakt einzustellende Wegstrecken bewegt werden. Ferner haben die Piezomotoren einen sehr geringen Platzbedarf.
Das Übertragungsorgan umfasst ein erstes Rad, das in Reibkontakt mit dem Resonator steht und durch den Resonator in eine Drehbewegung um seine erste Radachse versetzt werden kann. Dabei ist das Übertragungsorgan ausgelegt, um die Drehbewegung des ersten Rades in eine translatorische Bewegung letztlich des bewegbaren Kontaktpartners des Kontaktsystems umzusetzen.
Das Übertragungsorgan weist ein am ersten Rad gelagertes zweites Rad auf. Dabei sind das erste Rad und das zweite Rad exzentrisch zueinander angeordnet. Durch eine derartige Ausgestaltung des Übertragungsorgans wird ein konstruktiv besonders einfaches und kostengünstig herstellbares Übertragungsorgan zur Wandlung einer Drehbewegung in eine translatorische Bewegung bereitgestellt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch etwas näher erläutert. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäß ausgestalteten elektrischen Schalter, in einem Vertikalschnitt, in rein schematischer Darstellung;
2 einen Schnitt entlang der Linie A-A von 1;
Der in 1 gezeigte erfindungsgemäß ausgestaltete elektrische Schalter 1 umfasst einen Schaltantrieb 2 mit einem Übertragungsorgan 3 und ein im geschlossenen Zustand dargestelltes Kontaktsystem 4. Letzteres stimmt dem konstruktiven Aufbau nach mit in marktüblichen Schützen eingesetzten, dem Fachmann bekannten Kontaktsystemen überein und umfasst eine bewegliche Kontaktbrücke 40 mit einem Paar von beweglichen Kontaktpartnern 41, 41 und einem Paar stationärer Kontaktelemente 43, 43' die jeweils mit einem stationären Kontaktpartner 42, 42' versehen sind. Die Kontaktbrücke 40 und die Kontaktelemente 43, 43' sind in einem Kontaktsystemgehäuse 44 so angeordnet, dass sich die beweglichen Kontaktpartner 41, 41' und die stationären Kontaktpartner 42, 42' paarweise gegenüber liegen. Die Kontaktbrücke 40 ist in einem Kontaktbrückenträger 45 gelagert, der seinerseits im Kontaktsystemgehäuse 44 höhenbeweglich gelagert ist. Im Kontaktbrückenträger 45 ist ferner eine Kontaktdruckfeder 46 gelagerte, die mit Wirkungsrichtung auf die Kontaktelemente 43, 43' zu auf den Kontaktbrückenträger 45 drückt.
Der Schaltantrieb 2 umfasst einen Piezomotor 20, der für sich alleine betrachtet aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Piezomotor 20 umfasst ein piezoelektrisches Bauelement 21, das beim Anliegen einer geeigneten elektrischen Spannung mechanische Schwingungen ausführen kann und an einen Resonator 22 angekoppelt ist, welcher mit seiner Spitze 23 an der Umfangsfläche eines ersten Rads 30 des Übertragungsorgans 3 anliegt. Der Resonator 22 setzt die Schwingungen des piezoelektrischen Bauelements in vorzugsweise elliptischen Schwingungen des Kontaktbereichs des Resonators mit dem ersten Rad 30 um, das bei periodischer Wiederholung der Schwingungen in eine gleichförmige kontinuierliche Drehbewegung versetzt wird.
Mit Hilfe des Übertragungsorgans 3 wird die Drehbewegung des ersten Rades 30 in eine transaltorische Bewegung des über (nicht dargestellte) Führungsmittel in axialer Richtung geführten Kontaktbrückenträgers 45 umgesetzt.
Hierzu umfasst das Übertragungsorgan 3 ein drehfest am ersten Rad 30 gelagertes zweites Rad 31, das exzentrisch zum ersten Rad angeordnet ist und sich in Anlage mit dem Kontaktbrückenträger 45 befindet.
Zum Ausschalten des Schalters 1 wird das erste Rad 30 mittels des Schaltantriebs 2 in eine der Einschaltdrehbewegungsrichtung entgegengesetzte Ausschaltdrehbewegungsrichtung gedreht, woraufhin die Kontaktbrücke 40 von den stationären Kontaktelementen abgehoben wird.
Mittels einer mit dem piezoelektrischen Bauelement in Wirkverbindung stehender Spannnungssteuereung kann das piezoelektrische Bauteil letztlich zum Betätigen des Kontaktbrückenträgers 45 in Schwingungen versetzt werden.
2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A von 1. Die beiden feien Enden der ersten Radachse 32 drehen jeweils in einer am Schaltergehäuse 10 befestigten Lagerbuchse 11, 11'. Die erste Radachse 32 des ersten Rades 31 und die zweite Radachse 33 des zweiten Rades sind auf gleicher Höhe (y-Richtung), parallel zueinander und in horizontaler Richtung (x-Richtung) versetzt zueinander angeordnet.
In den Figuren sind die elektrischen Teile nur für eine Phase zeichnerisch dargestellt. Es ist dem Fachmann klar, dass der Kontaktbrückenträger 45 bei einem mehrpoligen Schalter mehrere, gleichartigen Kontaktsystemen zugeordnete Kontaktbrücken trägt. Es ist denkbar, mehrpolige Schütze in modularer Bauweise aus mehreren Modulen zusammenzusetzen, wobei die Anzahl der Module in der Regel mit der Zahl der Pole korrespondiert.

Claims

Schaltantrieb für ein Kontaktsystem eines elektrischen Schalters (1), wobei der Schaltantrieb mit einem zwischen wenigstens zwei Schaltstellungen bewegbaren Kontaktpartner des Kontaktsystems (4) derart in Wirkverbindung bringbar ist, dass der bewegbare Kontaktpartner motorisch wenigstens in eine der Schaltstellungen bewegbar ist, und wobei der Schaltantrieb einen Piezomotor (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezomotor ein piezoelektrisches Bauelement (21) und einen mit dem piezoelektrischen Bauelement (21) verbundenen Resonator (22) umfasst, der mit einem Übertragungsorgan (3) zur Übertragung des Motormomentes zum Kontaktsystem (4) derart zusammenwirkt, dass das Übertragungsorgan (3) in Abhängigkeit der Bewegung des Resonators (22) bewegbar ist, wobei das Übertragungsorgan (3) ein erstes Rad (30) umfasst, das in Reibkontakt mit dem Resonator (22) steht und durch den Resonator (22) in eine Drehbewegung um seine erste Radachse (32) versetzt werden kann, und dass das Übertragungsorgan (3) ausgelegt ist, um die Drehbewegung des ersten Rades (30) in eine translatorische Bewegung letztlich des bewegbaren Kontaktpartners umzusetzen, und wobei das Übertragungsorgan (3) ein am ersten Rad (30) gelagertes zweites Rad (31) umfasst, wobei das erste Rad (30) und das zweite Rad (31) exzentrisch zueinander angeordnet sind.
Elektrischer Schalter zum Steuern und/oder Schalten mindestens einer elektrisch steuer- und/oder schaltbaren Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass am Schalter (1) ein Schaltantrieb (2) nach Anspruch 1 vorgesehen ist.
Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktsystem eine Kontaktbrücke (40) umfasst, die mit wenigstens zwei bewegbaren Kontaktpartnern (41, 41') versehen ist, denen jeweils ein stationärer Kontaktpartner (42, 42') zugeordnet ist, wobei die Kontaktbrücke (40) in einem Kontaktbrückenträger (45) gelagert ist, der in einer Richtung quer zur ersten Radachse (32) linear bewegbar ist und direkt oder indirekt mit dem zweiten Rad (31) derart verbunden ist, dass der Kontaktbrückenträger (45) vom Schaltantrieb (2) betätigbar ist, um die bewegbaren Kontaktpartner (41, 41') paarweise mit den jeweils zugeordneten stationären Kontaktpartnern (42, 42') in und/oder ausser Kontakt zu bringen.
Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktsystem wenigstens eine Kontaktdruckfeder (46) aufweist, die die Kontaktbrücke (45) in Richtung auf die stationären Kontaktpartner (42, 42') mit Druck beaufschlagt.