DE2356516A1

DE2356516A1 - Schnellwirkende schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2356516A1
Application number: DE2356516A
Authority: DE
Inventors: Hermann Sturm
Original assignee: Bach and Co GmbH
Current assignee: Bach and Co GmbH
Priority date: 1973-11-13
Filing date: 1973-11-13
Publication date: 1975-05-22

Description

Patentanwalt

DipL-Infl. Walter JacWsch 2356516

7. Stuttgart N, Menzelstraße tC

Bach & Co. A 33 852 - sn

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Rosenbergstr. 22 .ü&°

Schnellwirkende Schaltvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine schnellwirkende Schaltvorrichtung wie Relais oder Schütz usw. mit einer zum Anschluß an eine Stromquelle vorzugsweise Gleichstromquelle bestimmten Antriebsspule und mit einem sich unter dem Einfluß des von der strorndurchflossenen Äntriebsspule erzeugten Magnetfeldes bewegenden, zur Betätigung von Schaltkontakten dienenden Anker. ■

Bekannt sind Relais und Schütze, bei welchen die Kontakte durch Klapp- oder Zuganker betätigt werden, welche selbst aus magnetisch leitendem Werkstoff, insbesondere aus Weicheisen, hergestellt sind und in einem aus ebenfalls aus magnetisch leitendem Werkstoff bestehenden, nahezu geschlossenen Magnetkreis angeordnet sind und in der Ruhelage einem feststehenden Eisenkern mit einem Arbeits-Luftspalt gegenüberstehen. Die Erregerspule bei den bekannten Relais- und Schütz-Konstruktionen befindet sich auf einem zu dem nahezu geschlossenen Magnetkreis gehörenden •Eisenkern. Wenn die Stule beim Anschluß an eine Gleich-

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stromquelle von dem 'sich dann einsteüexiden Gleichstrom durchflossen wird, bildet sich im Eisenkreis ein magnetischer Fluß aus, welcher bestrebt ist, die Länge der magnetischen Kraftlinien zu verkürzen und dabei bewirkt, daß der Anker gegen den Eisenkern gezogen wird und dann die mit ihm verbundenen Kontakte betätigt.

Der Anwendungsbereich dieser auf dem elektromagnetischen Prinzip beruhenden, bekannten Relais und Schütze ist dadurch begrenzt ₉ daß sie nur relativ langsame Schaltgeschwindigkeiten erreichen. Dies beruht darauf, daß nach dem Einschalten des Spulenstromes dieser nur langsam wegen der Induktivität der Spule ansteigt und demzufolge einen entsprechend langsamen Anstieg des Magnetfeldes im Eisenkreis bewirken kann. Zur Verzögerung des Magnetfeldanstieges trägt darüber hinaus bei, daß in den Eisenteilen des Eisenkreises Wirbelströme erzeugt werden. Außerdem tragt zur Verzögerung des Sehaltvorgangs gegenüber dem Einschaltaugenblick des Spulenstromes bei, daß der Anker aus verhältnismäßig schwerem, magnetisch leitendem Eisen besteht und zur Ausführung der Schaltbewegung aus der Ruhelage heraus beschleunigt werden muß. Aus diesen Gründen sind bei größeren Relais und Schützen bekannter Bauart nur Schaltzeiten erreichbar, die größer als etwa 10 msec. sind.

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Lter Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zum Anschluß an eine Gleich- oder Viechselstroinquelle bestimmtes Relais oder Schütz zu schaffen., daß eine wesentlich höhere Sehaltgeschwindigkeit aufweist.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die-Antriebsspule als scheibenförmige Luftspule ausgebildet und der Anker aus einer zur Luftspule wenigstens annähernd koaxialenj in geringem axialen Abstand von der Luftspule angeordneten Scheibe aus Metall, "vorzugsweise aus eisenfreiem Metall, besteht, die koaxial zur Antriebsspule verschiebbar geführt ist. Als Werkstoff hierfür kommen vorzugsweise"in Frage, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit, verbunden mit niedrigem spezifischen Gewicht, beispielsweise Reinaluminium, vorteilhaft kann der Anker auf einer längsverschiebbar gelagerten Achse sitzen, die zentral durch die Antriebsspule hindurchgeführt ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung bewirkt das elektromagnetische Feld, welches von dem die Antriebs spule durchfließenden Strom erzeugt wird,, daß der scheibenförmige Anker in axialer Richtung von der Antriebsspule weg bewegt wird. Zur Erhöhung dieser elektrodynamischen Wirkung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß an der von dem Anker abgekehrten zweiten Stirnseite der Antriebsspule eine Gegens.cheibe angeordnet ist, die ebenfalls aus Metall besteht. Hierbei kann sowohl ein nicht magnetisches Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, als auch ein Metall· guter magnetischer Leitfähigkeit, beispielsweise Relaiseisen, Verwendung finden.

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Um die Ausbildung von Wirbels trimmen in der Gegensoheibe weitgehend zu unterdrücken, kann die Gegenscheibe in weiterer Ausgestaltung der Erfindung wenigstens einen radial verlaufenden Schlitz enthalten. Bereits mit einem einzigen Schlitz kann eine große Wirkung erzielt werdon, wenn dieser
Schlitz von der im Zentrum der Gegenscheibe angeordneten Nabenbohrung bis zum äußeren Rand der
Gegenscheibe reicht.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und Ausbil» dung der Antriebsspule und des Ankers läßt sich auf einfache Welse eine Schaltgeschwindigkeit
erreichen, die 10 bis 100-mal höher ist als bei den bekannten,, eingangs beschriebenen Bauarten. Dies wirkt sich vor allem beim Abschalten von
Gleichstrom-Verbrauchern vorteilhaft aus, da infolge der hohen Abschaltgeschwindigkeit ein
etw-a entstehender Lichtbogen sehr schnell abreißt. Es ist demzufolge möglich, wesentlich
höhere Gleichsiroraleis tungen zu schalten, als bei den vergleichsweise langsam schaltenden elektromagnetischen Relais und Schützen der beschriebenen, bekannten Bauart. Vorteilhaft können die Schaltkontakte in der Nähe der Antriebsspule
so angeordnet werden, daß das zur Betätigung
des Ankers von der Antriebsspule erzeugte Magnetfeld sich auch an den Schaltkontakten auswirken kann, so daß dort durch die magnetische Blaswirkung des Magnetfeldes der Lichtbogen zusätzlich gelöscht wird.

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in Weiterbildung der Erfindung kann die Anordnung so getroffen■werden, daß nicht nur eine Trennung von im Ruhezustand,geschlossenen uchaltkontakten beim Anschluß der Antriebsspule an eine Gleichstromquelle beviirkt-wird, sondern auch eine erneute Schließung der Schaltkontakte herbeigeführt werden kann. Hierzu kann beiderseits des Ante rs je eine von. zwei achsgleichen, als Luftspulen ausgebildeten scheibenförmigen Antriebsspulen angeordnet sein. Beim Anschluß einer der Antriebsspulen beispielsweise an eine Gleichstromquelle wird dann der Anker Jeweils in die Nähe der anderen Antriebsspule bewegt, so daß durch abwechslungsweisen Anschluß der Antriebsspulen ein Trennen und Schließen der vom Anker betätigten Schaltkontakte erreicht wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß jex?eils nur ein kurzer Stromstoß notwendig'ist,, um den Anker von einer seiner beiden Grenzlagen, bei denen die Schaltkontakte geschlossen bzw. geöffnet sind, in die andere Grenzlage zu bringen. Vorteilhaft kann Jeweils- gegenüber der vom Anker abgekehrten Stirnseite der Antriebsspulen eine von zwei Gegenseheiben angeordnet sein, die aus Weicheisen oder einem elektrisch gut leitendem Metall, z.B. Kupfer, besteht. Die den Anker tragende Achse kann bei dieser Anordnung die zentralen Ausnehmungen der als Luftspulen ausgebildeten scheibenförmigen Äntriebsspulen und der Gegenseheiben mit radialen Luftspalt durchsetzen und jeweils in der Nähe der vom Anker abgekehrten Rückseite der Gegenseheiben längs-"verschiebbar gelagert sein. Zur Sicherstellung

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der vorher geschilderten bistabilen Schal, tzustäncic des Ankers und der von ihm betätigten Schaltkontakte kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit der Achse wenigstens eine Feder gekuppelt sein, die beim Einschalten des Stromes in einer der Art riebsspulen zunächst der Ankerbewegung entgegenwirkt', Jedoch nach Überschreiten einer indifferenten Mittellage den Anker in die Nähe der anderen Antriebsspule zu bringen bestrebt ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von drei in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.

Das in Fig. 1 dargestellte Antriebssystem des ersten Ausführungsbeispiels enthält in seinem Arbeitskreis keine aus Eisen bestehenden Kraftlinienleitstücke; Die Antriebsspule 5 des Antriebssystems ist vielmehr als scheibenförmige Luftspule ausgebildet. Die Antriebsspule 3 ist zum Anschluß an eine niederohmige Gleichstromquelle bestimmt und vermag einen hohen Strom aufzunehmen, sobald ein schnell wirkendes Schaltelement 5, welches bevorzugt als Tiyristor ausgebildet ist, in seinen stromleitenden Zustand gebracht wird. Dann kann in der Antriebsspule jj kurzzeitig ein hoher Strom fließen, der ein sehr starkes magnetisches Feld erzeugt, das bereits nach etwa

20 Mikrosekunden seine volle Stärke erreicht und dann unmittelbar auf einen scheibenförmigen Anker 1 geringer Masse einwirkt. Dieser sitzt auf einer gleichachsig zur Antriebsspule sich erstreckenden Achse 2, welche in zwei Lagern 6 und 7 längsverschiebbar geführt ist. Der Anker 1 besteht aus "einem Werkstoff, welcher magnetisch schlecht leitet, jedoch eine hohe elektrische Leitfähigkeit- auf vielst. Diese Forderung nach magnetisch schlechter und elektrisch hoher Leitfähigkeit sowie geringer Masse erfüllt Reinaluminium sehr gut. Durch das von der Antriebsspule 3 ausgehende Magnetfeld erfährt der Anker 1 einen in Richtung des Pfeiles A wirkenden, von der Äntriebsspule weggerichteten Bewegungsimpuls, der zur Betätigung ' von nicht dargestellten, mit dem Anker beispielsweise über die Achse 2 gekuppelten Schaltkontakten ausgenützt wird. Da die Induktivität der Antriebsspule 3 sehr niedrig Ist und .die Stromguelle ^ einen niedrigen Innenwiderstand aufweist, ergibt sieh eine sehr kurze Anstiegszeit des Magnetfeldes und infolge der hohen Anstlegsgeschwlndigkeit des Magnetfeldes bildet sich in dem beweglichen, zusammen mit der Achse 2 verschiebbaren Anker infolge der sich bildenden Wirbelströme ein starkes magnetisches Gegenfeld aus, welches zu einer entsprechend starken Abstossung des Ankers führt. Mit Rücksicht auf die hohe Beschleunigung ist es zweckmäßig,, für den Anker 1 einen Werkstoff mit geringem spezifischem Gewicht zu verwenden. Dieser Forderung wird das oben erwähnte Aluminium gerecht.

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Auch die anderen beweglichen Teile sollen nur eine geringe Masse aufweisen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist zusätzlich zu der ebenso wie in Fig. 1 ortsfest angeordneten Antriebsspule 3 und zu dem in Längsrichtung der Achse 2 beweglichen Anker 1 eine Gegenscheibe 8 vorgesehen, die zu den vorher genannten Teilen gleichachsig angeordnet ist. Die Gegenscheibe 8 steht der vom Anker 1 abgekehrten Stirnseite der Antriebsspule 3 mit geringern axialem Abstand gegenüber. Sie hat die Aufgabe, den Austritt der Kraftlinien des Magnetfeldes nach der vom Anker abgekehrten Seite hin zu verhindern, so daß sich auf der dem Anker 1 zugekehrten Stirnseite eine erhöhte Konzentration des Magnetfeldes ergibt und demzufolge ein stärkere!⁷ Be we gungs impuls in Richtung des Pfeiles A erzeugt werden kann. Die Gegenscheibe 8ist hierzu ebenso wie die Antriebsspule 2 ortsfest angeordnet. Die Gegenscheibe kann aus einem Werkstoff hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, bestehen; es ist von Vorteil wenn die Gegenscheibe 8 aus magnetisch gut leitfähigem Merkstoff, beispielsweise Weicheisen insbes. Relaiseisen besteht und zur Unterbrechung der sich bildenden Wirbelströme einen radialen Schlitz S enthält, welcher von der zentralen Durchgangsbohrung 9 für die Achse 2 bis zum äußeren Rand der Gegenscheibe 8 reicht.Durch Zusatz dieser Gegenscheibe kann eine doppelte bis dreifache schnellere Abschaltgeschwindigkeit erreicht werden.

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Zweckmäßig kann die Gegenscheibe 8 außerdem eine Durehführungsöffnung 10 für einen der beiden nicht näher bezeichneten Anschlußdrähte der Antriebsspule enthalten.

Schütze mit einem Antriebssystem der beschriebenen, ■erfindungsgeraäßen Art erreichen eine um den Faktor 10 bis 100 höhere Schaltgeschwindigkeit als Schütze der bisher bekannten elektromagnetischen Bauarten, Die hohe Schaltgeschwindigkeit wirkt sich vor allem vorteilhaft beim Abschalten von Gleichstrom-Verbrau ehern aus, weil dort ein etwa entstehender Lichtbogen sehr schnell abreißt. Dadurch ist es möglich, wesentlich x53iere Gleichstrom-Leistungen zu schalten als bei den vergleichsweise langsamen Schaltrelais und Schützen bekannter Bauart, Bei einer bsrorzugten Ausflhrungsform können außerdem die Schaltkontakte so angeordnet werden, daß sich das von der Antriebsspule ausgehende starke Magnetfeld auf die Schaltkontakte auswirkt und dort durch magnetische Blasung des Lichtbogens zusätzlich löschend auf diesen einwirkt.

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Die schnelle Abschaltung ermöglicht es in Verbindung mit der vorgenannten Verbesserung der Lichtbogen-Löschung, die erfindungsgemäßen Relais oder Schütze als schnell wirkende Stromkreis-Sicherung zu verwenden. Dort können bei Überlastung oder Kurzschluß die gestörten Schaltkreise sehr schnell aufgetrennt werden, was zum Beispiel bei Halbleitern sehr von Vorteil ist, da diese gegenüber Überlastung oder Kurzschluß sehr empfindlich sind.

Das Ausfürungsbeispiel nach Fig. 4 stellt eine Vfeiterbildung des Antriebssystems nach Fig. j5 dar. Es ist nämlich zusätzlich zu dem Anker 1, der Antriebsspule j5 und der Gegenscheibe 8 eine zweite Arfriebsspule 1J> und eine zweite Gegenscheibe 18 vorgesehen. Diese beiden Bauteile sind ebenfalls gleichachsig zu der den Anker 1 tragenden, in nicht dargestellten Lagern längsverschiebbar geführten Achse 2 angeordnet. Wenn der als Thyristor ausgebildete Schalter 5 in stromleitenden Zustand gebracht wird, bewegt das auf den Anker 1 einwirkende, von der Antriebsspule 3> ausgehende Magnetfeld den Anker,wie in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2, nach rechts in Richtung des Pfeiles A. Dabei wird eine am linken Ende der 'Achse 2 angeordnete Kontaktbrücke 20 zwischen zwei Kontaktzungen 21 und 22 herausgezogen und dabei der über diese seither

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geschlossenen Schaltkontakte fließende Strom in den Zuleitungen 23 eines nicht dargestellten Verbrauchers 'unterbrochen.

Um den Anker 1 in_die dargestellte Ausgangslage zurückzuführen- und die Sehaltkontakte erneut zu" schließen, kann mit einen¹ Thyristor-Schalter 15 die zweite Antriebsspule 13 unter Strom gesetzt werden, Vielehe dann den Anker 1 samt Achse 2 in der mit einem Pfeil R angedeuteten Rückstellrichtung bewegt.. Ein bistabiler Federspeicher sorgt dafür, daß sich de"r Anker I₃ die Achse 2 und die Schaltbrücke 20 jeweils nur in einer ihrer beiden Grenzlagen befinden können, bei welchen entweder, wie in der dargestellten ersten Grenzlage, die Kontaktzungen 21 und 22 von der Schaltbrücke untereinander verbunden werden, oder in der anderen Grenzlage voneinander getrennt sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß am freien Ende der Achse 2 zwei Druckfedern 25 und 26 angreifen, deren von der Achse abgekehrte Enden mit nicht dargestellten Mitteln ortsfest gelagert sind. Bei der Öffnungsbewegung in Richtung des Pfeiles A muß zunächst die Rück-stellkraft der beiden Druckfedern 25 Lind 2β überwunden werden. Wenn ihre Indifferente Mittellage überschritten ist, führen sie unter gleichzeitiger Entspannung und in. Unterstützung des Magnetfeldes den Anker gegen die zweite Antriebsspule 13 ■ und "halten ihn dort bei geöffneten Schalt-

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BAD ORiGIMAL

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kontakten 20, 21 und 22 auch dann noch fest> wenn der zur Auslösung des Schaltvorgangs in der Antriebsspule J erzeugte Stronifluß bereits abgeklungen ist. Erst wenn der Thyristorschalter 15 geschlossen wird, treibt der die zweite Antriebsspule I3 durchfließende Strom den Anker gegen die erste Antrisbsspule 3? und schließt dabei die Schaltkontakte 20, 21 und 22 erneut, wobei die beiden Druckfedern 25 und 26 über ihre indifferente, die höchste Federspannung ergebende Mittellage hinaus in Richtung des Pfeiles R geführt werden. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß für die Aufrechterhaltung der beiden Dauer-Schaltzustände keine elektrische Leistung in den beiden Anjbriebsspulen 5 und IJ aufgebracht werden muß und diese nur dann einen impulsförmigen Erregerstrom durch^chließen eines der beiden Schalter I5 bzw. 5 erhalten, wenn der Übergang in den anderen Schaltzustand erfolgen soll.

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Claims

p_etentanwalt
Stuttgart N. Menze

A 33-852 - sn

Den

12. Nov. 1973

ANSPRÜCHE:

,11. /Schnellwirkende Schaltvorrichtung, wie Relais, Schütz oder dgl. mit einer zürn Anschluß an eine Stromquelle bestimmten Antriebsspule und mit einem sich unter dem Einfluß des von der stromdürehflossenen Antriebsspule erzeugten Magnetfeldes bewegenden, zur Betätigung von Schaltkontakten dienenden Anker, dadurch gekennzei chnet , daß die Antriebs spule (J>, I3) als scheibenförmige Luftspule ausgebildet ist und der Anker aus einer zur Luftspule wenigstens annähernd achsgleich in geringem axialem Abstand von dieser angeordneten Scheibe (1) aus Metall, vorzugsweise aus eisenfreiem Metal], besteht, die achsgleich zur Antriebsspule verschiebbar geführt ist.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) auf einer längsverschiebbar gelagerten Achse (2) sitzt, die zentral durch die Antriebsspule (3*13) hindurchgeführt ist.

BAD OHiÖINAL

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3. Schaltvorrichtung; nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der von dom Anker (1) abgekehrten zweiten Stirnseite der Antriebsspule (3*1-3) eine Gegenscheibe (Q,18) angeordnet ist.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenscheibe (8, 18) aus magnetisch leitendem Werkstoff hergestellt ist.

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch "f>, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenscheine (8,18) aus elektrisch leitendem Werkstoff besteht.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenscheibe (8, 18) zur Unterdrückung von V/irbelströinen wenigstens einen radialen Schlitz (S) aufweist.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schiit?, (S) von einer im Zentrum der Gegenscheibe (8, 18) angeordneten Bohrung (9) bis zum äußeren Rand der Gegenscheibe reicht.

8. Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Ankers (1) je eine von zwei koaxialen, als Luftspulen ausgebildeten Antriebsspulen [J> > 13) angeordnet ist.

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9. Schaltvorrichtung nach.Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet ₃ daß- jeweils gegenüber.³ der ' vom Anker (1) abgekehrten »Stirnseite der Antriebsspulen (3^13) eine von zwei Gegenscheiben (8, 18) a.us Magnetisch oder elektrisch leitendem-Werkstoff angeordnet ist.

10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Anker (1) tragende Achse (2:): vorgesehen ist., die durch zentrale Ausnehmungen in den Antriebsspulen (3,13) und in den Gegenscheiben (8, 18) mit radialem Luftspalt hindurchgeführt und jeweils mit in der Nähe der vonr Anker (1) abgekehrten Rückseiten der Gegenscheiben (S, l8) angeordneten Lagern längsverschiebbar geführt ist.

11. Schaltvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet", däS mit der 'Achse (2) wenigstens eine Feder (25,26) gekuppelt ist, die beim Einschalten des Stromes in einer der Antriebsspulen (>, 13) bestrebt ist, den Anker (1), sobald er die indifferente Mittellage überschritten hat, in die andere der. beiden bistabilen Schaltstellungen in der_mNähe der anderen Antriebsspule zu bringen. /

12. Schaltvorrichtung nach einem der.vorhergenden · Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf einer Seite der Achse (.2) eine Kontakteinrichtung (20) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Schaltkontakte zwecks Löschung des Abschaltlichtbogens im Wirkungsbereich des Magnetfeldes der Antriebsspule (3) angeordnet sind.

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