DE2356515C2 - Elektrodynamische Schaltvorrichtung wie Relais, Schütz od.dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Schaltvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige elektrodynamische Schaltvorrichtung ist aus der DE-AS 10 81 148 bekannt. Zwei gleichachsig zueinander angeordnete Flachspulen stehen sich mit geringem Abstand gegenüber, wobei die Flachspulen in Form einer gedruckten Schaltung auf einem Isolierstoffträger aufgebracht sind. Mindestens, ein Isolierstoffträger ist membranartig ausgeführt und im Zentrum der Flachspule so beweglich, daß ein im Zentrum angebrachter Kontakt eines Leistungskreises um einen geringen Weg axial bewegt und in Anlage an einen gegenüberliegenden Kontakt gebracht werden kann. Die axiale Bewegung wird dadurch erreicht, daß beide Spulen von einem Erregerstrom durchflossen sind, der eine gemeinsame Achse der Flachspulen gleichsinnig umfließt. Aufgrund des sich aufbauenden magnetischen Feldes ziehen sich die Flachspulen gegenseitig an, wobei sich der membranartige Isolierstoffträger ausbeult und die Kontakte schließt. Bei Abschalten des Erregerstromes wird sich der membi-anartige Isoliersloffträger in seine Ausgangsstellung zurückstellen, wobei die Kontakte wieder geöffnet werden.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß durch den Aufbau als gedruckte Schaltung nur geringe Erregerströme möglich sind (im Amperebereich), so daß die Anziehungskraft zwischen den Spulen entsprechend gering ist. Die Schub- bzw. Anziehungskraft liegt im Bereich von cN, wodurch sich ein geringer Kontaktdruck ergibt, der durch die Rückstellkraft der Membran weiter gemindert wird. Bedingt durch die geringe Anziehungskraft sind nur kleine Kontaktwege mit einer derartigen Anordnung zu erzielen, so daß die Kontakte im Ruhezustand in geringem Abstand voneinander liegen. Insbesondere bei hohen Schaltleistungen können sich daher Lichtbogen bilden, die die Kontakte schädigen und die Anordnung unbrauchbar machen. Die Anwendung derartiger Schaltvorrichtungen ist daher auf den Niederleistungsbereich begrenzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrodynamische Schaltvorrichtung anzugeben, die bei hoher Schaltkraft und kurzen Schaltzeitcn auch für große Schaltspannungen und große Schallleistungen verwendet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung von Luftspulen sind hohe Erregerströme möglich, so daß ein starkes Magnetfeld aufgebaut werden kann. Durch die axial bewegliche

Spule wird eine großer Schalthub erreicht, so daß die Kontakte in Ruhestellung einen großen Abstand voneinander aufweisen können und bei hohen Schaltspannungen eine Lichtbogenbildung weitgehend ausgeschlossen ist Durch das starke Magnetfeld wird eine hohe Schaltkraft erreicht, so daß sehr kurze Schaltzeiten auftreten. Daher wird auch bei Schaltvorgängen unter großer Last ein die Kontakte schädigendes Funkenfeuer weitgehend vermieden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Zwei ortsfest angeordnete Antriebsspulen 3,13 eines Antriebssystems sind als scheibenförmige Luftspulen ausgebildet und zum Anschluß an eine niederohmige Gleichstromquelle 4 bestimmt Sie vermögen wegen ihrer geringen Induktivität einen hohen Strom aufzunehmen, sobald ein schnell wirkendes Schaltelement 21, 22, welches vorteilhaft aus Thyristoren gebildet sein kann, in seinen stromleitenden Zustand gebrüht wird. Dann kann in den Antriebsspulen 3,13 ein sehr rasch auf hohe Werte ansteigender Strom fließen, der ein sehr starkes magnetisches Feld erzeugt, welches bereits nach etwa 20 Mikrosekunden seine volle Stärke erreicht Das magnetische Feld wirkt auf eine zweite, als Anker wirkende, ebenfalls scheibenförmig ausgebildete Luftspule 1, welche starr mit einer gegenüber den Antriebsspulen axial beweglichen Achse 2 verbunden ist, die in zwei Achslagern 6 und 7 längsverschiebbar geführt ist.

Der Schaltkontaktsatz besteht aus zwei feststehenden Schaltkontakten 8 und 9 und einer am Ende der Achse 2 « sitzenden Kontaktbrücke 10. Weitere zwei feststehende Schaltkontakte 18, 19 sind im axialen Abstand parallel zu den Schaltkontakten 8 und 9 angeordnet

In der dargestellten ersten Schaltstellung, bei welcher die Schaltkontakte 8 und 9 miteinander über die Schaltbrücke JO verbunden sind, steht die bewegliche Luftspule 1 der feststehenden, ebenfalls als Luftspule ausgebildeten Antriebsspule 3 mit kleinem axialem Luftspalt gegenüber. Gegenüber der anderen, von der Antriebsspule 3 abgekehrten Stirnseite der beweglichen Luftspule 1 ist in einem durch die Nutzwegstrecke und den axialen Abstand des zweiten Schaltkontaktpaares 18 und 19 vom ersten Schaltkontaktpaar 8 und 9 festgelegten Abstand die zweite Antriebsspule 13 vorgesehen, die an einem ihrer Wicklungsenden über eine Leitung 14 mit d<;r ersten Antriebsspule 3 verbunden und mit ihrem anderen Wicklungsende an eine niederohmige Stromquelle 4 angeschlossen ist Damit die Luftspule 1 sich in Richtung des Pfeiles A bewegt, muß in ihr ein Magnetfeld erzeugt werden, das entgegengesetzt zu dem von der Antriebsspule 3 ausgehenden Magnetfeld gerichtet ist. Hierzu muß der Strom in der Luftspule 1 die gemeinsame Achse entgegengesetzt zu demjenigen Drehsinn umschließen, den ein gleicher Strom in der Antriebsspule 3 hat. Hierzu sind die Wicklungsenden der beweglichen Luftspule 1 an zwei zu einem Umschalter gehörende Schaltarme 21 und 22 angeschlossen, welche beispielsweise mit der mit unterbrochenen Linien angedeuteten Schaltstellung den die Stromquelle 4 verlassenden ⁶"> Strom /zunächst die Luftspule 1 über den Schaltarm 22 erreichen lassen und von dort aus über den Schaltarm 21 der AntriebssDule 3 „'jführen. Durch die dann entstehende abstoßende Wirkung der beiden von den Spulen 1 und 3 ausgehenden Magnetfelder wird die Luftspule 1 samt der Achse 2 nach links bewegt Infolge des raschen Aufbaus der magnetischen Felder in den Luftspulen 1 und 3 ergibt sich eine hohe Schaltgeschwindigkeit Die Achse 2 betätigt vorteilhafterweise bei ihrer Bewegung ein bistabiles, mechanisches Kraftspeicherelement Dieses ist so ausgebildet, daß die Luftspule 1 gegen die Rückstellkraft zweier vorgespannter Druckfedern 23 und 24 arbeiten muß, welche den bistabilen Federspeicher bilden. Wenn dabei die labile Mittelstellung der beiden Druckfedern 23 und 24 überwunden ist schnappt die Achse samt der Schaltbrücke in ihre zweite Schaltstsllung, bei welcher die Schaltbrücke die beiden Schaltkontakte 18 und 19 miteinander verbindet und die bewegliche Luftspule 1 der zweiten Antriebsspule 13 mit geringem Abstand stirnseitig gegenübersteht

Durch das bistabile Kraftspeicherclement wird die bewegliche Luftspule jeweils in einer von zwei stabilen Endlagen gehalten bzw. dorthin zurückgeführt Damit in der unmittelbaren Nachbarschaft zur -;/eiten Antriebsspuie 13 eine gegenseitige .Anziehung .'.wischen der Luftspule 1 und der Antriebsspule 13 erfolgt durchfließt der Strom /die zweite Antriebsspule 13 mit einem auf die gemeinsame Achse bezogenen, entgegengesetzten Drehsinn zu demjenigen in der ersten Antriebsspule 3. Sobald die beiden Schaltarme 21 und 22 in ihre dargestellte Mittelstellung zurückgebracht werden, wird der Strom /unterbrochen und die Schaltbrücke 10 bleibt dann in ihrer zweiten, die Kontakte 18 und 19 verbindenden Schaltstellung. Die für die Kontaktgabe erforderlichen Schaltkontakte können jeweils auf einer axialen Stirnseite einer feststehenden Luftspule angeordnet sein. Die achsgleiche Anordnung der beiden zu einem Antriebssystem gehörenden Luftspulen macht es ohne konstruktive Schwierigkeiten möglich, daß auf jeder der beiden axialen Stirnseiten des Antriebssystems jeweils ein Satz von Schaltkontakten angeordnet werden kann. Hierbei kann die räumliche Lage der Schaltkontakte im Wirkungsbereich des elektrischen Feldes der feststehenden Luftspule derart erfolgem, daß das ':eim Einschalten des Spulenstroms entstehende Magnetfeld eine magnetische Blasung eines eventuell entstehenden Schaltlichtbogens bewirk*.

Um die Schaltvorrichtung in die Ausgangsstellung in Richtung des Pfeiles B zurUckzubewtgen, braucht lediglich der Umschalter in die zweite Schließstellung gebracht zu werden, in welcher die beiden Schaltarme 21 und 22 die punktierte Stellung einnehmen, in welcher der von der Stromquelle 4 ausgehende Strom zunächst über den Schaltarm 21 zur Luftspule 1 geführt wird, diese jedoch dann in einem zur vorherbeschirebenen Weise entgegengesetzten Drehsinn durchfließt, bevor er über den Schalter 22 in gleicher Richtung wie vorher die beiden Antriebsspulen 3 und 13 durchfließt. Infolge des umgekehrten Drehsinns des Strome«- / in der Luftspule 1 wird diese von dem durch die Antriebsspule 13 erzeugten Magnetfeld nach rechts abgestoßen und erreicht nach Überwindung der indifferenten Mittellage der beiden Druckfedern 23 und 24 die dargestellte Ausgangsstellung, in welcher die Luftspule 1 von der Antriebsspule 3 angezogen wird, solange sich die Schaltarme 21 und 22 in der vorher beschriebenen punktierten Schaltstellung befinden.

Auch wenn die Schaltarme 21 und 22 in ihre neutrale Mittelsteliurg zurücl gebracht werden und dann der. Strom /unterbrechen, bleibt die dargestellte Schaltstellung erhalten, bei welcher die Schaltbrücke 10 die

beiden Schaltkontakte 8 und 9 miteinander leitend verbindet. Der besondere Vorteil der beschriebenen Schalteinrichtung besteht darin, daß die Schaltvorrichtung außerordentlich kurze Schaltzeiten aufweist und daß sie nur dann elektrische Energie verbraucht, wenn sie aus einer ihrer beiden Schaltstellungen in die andere Schaltstellung gebracht wird, hingegen stromlos bleiben kann, solange sie die einmal erreichte Schaltstellung (Endstellung) beibehalten kann.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die bewegliche Luftspule sowohl in Parallelschaltung zu einer feststehenden Luftspule als auch in Reihe mit einer feststehenden Luftspule betrieben werden. Wenn die Luftspulen hinsichtlich des sie durchfließenden elektrischen Stromes in Reihenschaltung betrieben werden, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Luftspulen gleiche geometrische Abmessungen und Windungszahlen aufweisen. Indem die als Anker dienende zweite Luftspule

aiii cincF ÄCiiäc iiiZi, die Zcfmä! uüfch cmc räümfcSi angeordnete Luftspule hindurchgeführt ist, ist eine einfache Befestigung von Schaltkontakten möglich.

Die beim Einschalten des Stromes entstehende Abstoßung zwischen der beweglichen Luftspule und der ihr unmittelbar benachbarten feststehenden Luftspule ist besonders groß. Es kann demgemäß eine sehr hohe Öffnungsgeschwindigkeit für die Schaltkontakte erzielt werden, wenn diese sich bei stromlosem Zustand der Luftspulen in ihrem Schließzustand befinden.

Diese bistabile Schaltvorrichtung kann, da sie jeweils nur zur Umschaltung von ihrer einen in die andere bistabile Stellung mit Strom versorgt /u werden braucht, auch mit einem Impulsstrom betrieben werden.

Zur Erhöhung der elektrodynamischen Wirkung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gegenüber der von der beweglichen Luftspule abgekehrten Stirnseite der feststehenden Luftspule ein zu dieser wenigstens annähernd gleichachsiges. scheibenförmiges Kraftlinienleitstück angeordnet sein. Vorteilhafterweise wird zur Unterdrückung oder wenigstens zur Verringerung von Wirbelströmen im Kraftlinienleitstück wenigstens eine radial verlaufende, vorzugsweise bis zum Rand des Leitstücks sich erstreckende, schlitzartige Unterbrechung vorgesehen. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist gegeben, indem für das bzw. die scheibenartig

flir

wendet wird, der eine hohe magnetische, aber eine geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn das scheibenartig ausgebildete Kraftlinienleitstück aus einzelnen zueinander koaxialen Scheiben zusammengesetzt ist, welche miteinander mechanisch verbunden, elektrisch jedoch gegeneinander isoliert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamische Schaltvorrichtung wie Relais, Schütz od. dgl., mit im Abstand voneinander angeordneten, zueinander glejchachsigen, scheibenformigen Spulen, von denen mindestens eine Spule relativ zur anderen Spule beweglich ist und beide Spulen von einer Stromquelle gespeist cind, wobei die bewegliche Spule mit mindestens einem Schaltkontakt in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen Luftspulen (1, 3, 13) sind, daß die bewegliche Luftspule (1) auf einer in Achslagern (6,7) axial beweglich geführten Achse (2) befestigt ist, die mindestens einen Schaltkontakt (10) trägt, und die andere Luftspule (3) feststeht und im Abstand zu ihr eine weitere, feststehende Luftspule (13) angeordnet ist, wobei die feststehenden Luftspulen (3,13) elektrisch hintereinander geschaltet sind und in bezug auf ihre gemeinsame Achse gegensinnig von einem Erregerstrom (I) durchflossen sind, und daß die bewegliche Luftspule (1) zwischen den feststehenden Luftspulen (3, 13) liegt und in ihren Endstellungen mit geringem Abstand jeweils einer feststehenden Luftspule (3, 13) gegenübersteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspden (1, 3, 13) nur zur Umschaltung der Schaltvorrichtung mit einer Stromquelle (4) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspulen (1, 3, 13) bei gleichen ^eometrischen Abmessungen, insbesondere ihres innersten unc", äußei ien Windungsdurchmessers sowie ihrer in Achsrichtung gemessenen Höhe wenigstens annähernd ül:-.reinstimmende Windungszahlen aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspulen (1,3,13) in bezug auf die Stromquelle (4) hintereinandergeschaltetsind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (2), auf der die bewegliche Luftspule (1) als Anker angeoidnet ist, zumindest eine feststehende Luftspule (3, 13) zentral durchdringt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein bistabiles, mechanisches Kraftspeicherelement (23, 24), vorzugsweise eine Druckfeder, mit der die bewegliche Luftspule (1) tragenden beweglichen Achse (2) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kontaktgabe vorgesehenen Schaltkontakte (8,9,10,18,19) auf einer axialen Stirnseite des Antriebssystems angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Satz von Schaltkontakten (8, 9, 10 bzw. 18, 19) auf jeder der beiden Seiten des Antriebssystems angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der von der beweglichen Luftspule (1) abgekehrten Stirnseite der feststehenden Luftspule ein zu dieser wenigstens annähernd gleichachsiges, scheibenförmiges Kraftlinienleitstück angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenartig ausgebildete Kraftlinienleitstück wenigstens eine radial verlaufende, vorzugsweise bis zum Rand sich erstreckende, schlitzartige Unterbrechung enthält.

11, Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des scheibenartig ausgebildeten Kraftlinienleitstückes eine hohe magnetische, jedoch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit besitzt

IZ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenartig ausgebildete Kraftlinienleitstück aus einzelnen dünneren Scheiben zusammengesetzt ist, welche miteinander mechanisch verbunden, elektrisch jedoch gegeneinander isoliert sind.