WO2017012816A1 - Magnetanker, schütz mit magnetanker und verfahren zum schalten eines schützes - Google Patents

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WO2017012816A1
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armature
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middle position
stop
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PCT/EP2016/064467
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Peter Bobert
Thomas Westebbe
Frank Werner
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Epcos Ag
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Definitions

  • the invention relates to armature, z. B. Magnetic armature for electromagnetic contactors, contactors with armature and Ver ⁇ drive for switching a contactor.
  • electromagnetically operable contactors i. A. a
  • Magnetic armature is a movable part, the two electrodes electrically conductive ver ⁇ bind by moving a contact punch .
  • Contactors are used to switch strong electrical currents and / or high voltages, if necessary in a protective gas atmosphere.
  • the immediate operations of closing or opening the switch and occurring arcs are at high switching to electrical power a great burden, especially for the material of the electrodes and the contact stamp, with increasing number of switching operations increases the risk of sticking these electrical contacts ,
  • the armature comprises a first spring element with a first spring stiffness kl, a second spring element with ei ⁇ ner second stiffness k2, a rest position, a Endposi ⁇ tion and a middle position, which is located between the rest position and the end position.
  • the first spring member is provided to be elastically deformed during a switching operation at about ⁇ transition from the rest position to the intermediate position, but not at the transition from the middle position to the end position.
  • the second element is intended to be elastically deformed in the transition from the middle position to the end position, but not in the transition from the rest position to the middle position.
  • the rest position, the middle position and the end position thereby represent positions of the armature relative to its environment, eg. B. within an electromagnetic switch.
  • the middle position need not necessarily be equal ⁇ widely spaced from the rest position as from the end position.
  • the rest position indicates the position in which the armature is located when no magnetic force acts on it.
  • the final position is the
  • Switching time can be achieved.
  • the magnet armature acts on tightening against a smaller resistance, so that a greater acceleration and thus a shortening of the switching time is achieved.
  • the magnet armature is in its end position, the restoring force of the second spring element causes a rapid opening, in essence, when the magnetic force is attributable to the Mag ⁇ netanker (ie, when opening the switch). It is therefore specified a magnet armature, which experiences a not simply linear resistance during closing and opening. Rather, a magnet armature is indicated, the resistance force acting on it can successively increase by different spring stiffnesses ⁇ Liche.
  • first spring element and the second spring element are arranged in series.
  • series angeord ⁇ Neten spring elements results in a resulting spring stiffness of the combination of the two springs whose reciprocal corresponds to the sum of the reciprocals of the individual spring stiffness.
  • Two spring elements arranged in series therefore behave like a single spring element with the corresponding spring element. adequate replacement stiffness. So that the magnet armature during Akti ⁇ four during a phase of movement from the rest position to the middle position on the one and during the second phase during movement from the middle position to the end position perceives different spring stiffness, additional technical precautions, eg. As mechanical stops and / or applying individual spring elements with a spring bias and / or the provision of a sliding sleeve, as described below, necessary.
  • the magnet armature additionally comprises a bush, which is arranged between the first spring element and the second spring element.
  • the sleeve may be touching the one directed towards the socket end of the first spring element and the one directed towards the socket end of the second Federele ⁇ management.
  • the magnet armature additionally comprises a cylindrical section.
  • the first spring element, the bushing and the second spring element surround the zylinderförmi ⁇ gene section - or each a separate cylindrical section with optionally different radius - coaxial ⁇ xial.
  • the bushing-facing end of the first spring element is intended to move relative to the cylindrical portion at the transition from the rest position to the middle position, but not at the transition from the middle position to the end position.
  • the distance h from the rest position to the end position is the full stroke that the magnet armature covers during activation in order to connect two electrodes of a contactor with a contact stamp.
  • the stroke h can z. B. 2 mm.
  • the middle position can be between 40% and 60% of the full stroke h at an interval.
  • the spring stiffness of the two spring elements is approximately 3.3-3.6 times the top of each other Fe ⁇ the stiffness.
  • the second spring element having the higher spring stiffness: 3.3 -S k2 / kl ⁇ 3.6.
  • the spring stiffness of the first spring element is between 0.5 N / mm and 0.9 N / mm.
  • the Stei ⁇ ability of the second spring element can be between 2.3 N / mm and 2.7 N / mm.
  • the magnet armature in addition to at least one cylindrical portion further comprises a contact stamp and / or a magnetizable material.
  • the contact ⁇ stamp is NEN egg at one end of the region of the armature with the or the plurality of cylindrical portions disposed.
  • the optional magnetizable material may be disposed on opposite ⁇ other end.
  • the contact stamp comprises an electrically conductive material and is intended to interconnect two electrical contacts in the end position of the magnet armature.
  • the magnetizable material may comprise iron, cobalt and / or nickel or consist of iron, cobalt or nickel.
  • Over the magnetizable material of the magnetic ⁇ anchor may be magnetic with its environment (eg. As an adjacent magnetic coil in a yoke) interact, in particular by shifting between the three positions, ie, a
  • the cylindrical section comprises a ⁇ ers th section and a second section.
  • the first section may have a first diameter and the second section may have a second diameter.
  • the cylindrical portion and thus the diameter may have a step.
  • the step between the two sections may represent a fourth stop, in particular for the socket.
  • a contactor may comprise a magnetic armature as described above with a bush between the two spring elements, a yoke with integrated coil and a guide with a first mechanical stop.
  • the armature and the yoke form an electromagnetic actuator, which is intended to move the armature relative to the yoke and the guide. In positions between the rest position and the middle position, the bush does not touch the first mechanical stop. In positions between the middle position and the end position, the bush touches the first mechanical stop.
  • the middle position is thus defined as the Posi ⁇ tion, after which the socket contacts the stop during closing. From the rest position to the middle position, essentially the first spring element counteracts a closing force: the magnet armature moves away from it
  • the second spring element can be acted on with a bias voltage, one which is big ⁇ SSER than the voltage on the first spring element in the middle position.
  • a bias voltage one which is big ⁇ SSER than the voltage on the first spring element in the middle position.
  • the second spring element is not compressed during the transition from the rest position to the middle position. If the bush meets the mechanical stop, the tension on the first spring element can not rise any further, since the force is transmitted to the guide via the bush and the mechanical stop. As a result, the further movement from the middle position to the end position is made possible by an upsetting of the second spring element.
  • the contactor in the yoke comprises one or more coils which can generate a magnetic field and form an electromagnet together with the magnetizable material of the armature.
  • the contactor may further include a cavity in which the contact stamp on the armature and two spaced apart electrodes are arranged.
  • the cavity may be filled with a gas, e.g. As a noble gas to be filled.
  • the distance between the electrodes and the contact stamp is preferably klei ⁇ ner than the total stroke h of the magnet armature.
  • the magnet armature may additionally have a further spring element which can compensate for manufacturing tolerances of the distance between the electrodes and the contact stamp and generates the actual contact force. This is particularly important if the material of the electrode or of the contact stempeis by repeated switching operations at a high electrical power ⁇ shear is removed.
  • the electromagnet of such a contactor can be operated with a Be ⁇ operating voltage of 12 V, 24 V, 48 V or any other available voltage.
  • the contactor may have a cavity, z.
  • the increased life due to the non-linear counterforce can be further increased by the gas filling in the cavity.
  • the contactor has a guide with a third stop.
  • the third stop may be a Begren ⁇ requisite for the movement of the armature.
  • the magnet armature can touch the third stop in its rest position.
  • the third stop can absorb in particular the force of the first spring in the rest position.
  • the position of the third stop determines the position of the armature relative to the guide in the rest position, a defined rest position.
  • the cylindrical portion should have the fourth mechanical ⁇ African stopper as described above by two different diameter cylindrical portion and the corresponding stage can be realized.
  • the ratio of spring rates is not limited.
  • the Zah ⁇ lenhong eg. As a spring hardness of 0.5 N / mm for the stiffer spring and 3 N / mm for the softer spring) depend inter alia on the size and are to be understood as examples only.
  • a series connection of the two spring elements is possible but not mandatory.
  • the mechanical stops in particular the first and the fourth stop, can decouple the springs.
  • a method of switching an electromagnetic contactor comprising an electromagnet, a contact stamp and a first spring element comprises the steps of:
  • a method of switching an electromagnetic contactor comprising an electromagnet, a contact stamp, a first spring element and a second spring element comprises the steps of:
  • a cross section through a simple embodiment ⁇ form of a magnet armature MA in its rest position a cross section through a simplemonys ⁇ form in its middle position, a cross section through a simplemonys ⁇ form of the contactor in its final position, a cross section through an embodiment of a magnet armature with Spring element for a tolerance ⁇ compensation and with contact stamp, a cross section through a contactor with a magnet armature and with a contact stamp, a first electrode and a second electrode in a gas-filled cavity, according to the examples of Figures 5 and / or 6.
  • FIG. 6 a cross section through an embodiment of a magnet armature MA with a third A3 and a fourth stop A4, a cross section through the embodiment of FIG. 6 in the middle position, a cross section through the embodiment of FIG. 6 in the end position, 1 shows a cross section through a simple exporting ⁇ approximate shape of a magnet armature MA in its rest position RP.
  • the magnet armature MA has a first spring element Fl and a second spring element F2.
  • the two spring elements F1, F2 determine the restoring forces during the transition from its rest position to its end position.
  • the first spring element Fl determines the restoring force in the transition from the Ru ⁇ heposition in the middle position.
  • Figure 1 shows in addition to the armature MA a guide FÜ, which limits the movement of the armature at the transition between the positions to a displacement along an axis.
  • the guide FÜ may thus constitute a guide rail with a ers ⁇ th stop AI.
  • Between the first spring element Fl and the second spring element F2 is a bush B angeord ⁇ net.
  • the armature MA has a cylindrical portion ZA.
  • the first spring element Fl, the second spring element F2 and the bush B are arranged coaxially around the cylinder-shaped portion ⁇ ZA.
  • At one end of the cylindrical ⁇ shaped portion ZA of the contact stamp KS is arranged.
  • a magnetizable material M is arranged.
  • the second spring element F2 is not or only slightly during the transition from Rest position RP compressed in the middle position MP.
  • the bushing B thereby moves by the distance hl until the bush B strikes the first stop AI. During this phase of the movement is on the
  • FIG. 2 shows the magnet armature in its middle position MP.
  • the socket B touches the first stop AI. If the magnet armature continues to move to the left relative to the guide FÜ, the bush B is supported on the first stop AI, so that the first spring element F1 can no longer be compressed. In the further movement, the second spring element F2 is inevitably compressed.
  • FIG. 3 shows the magnet armature in its end position EP.
  • the second spring element F2 is compressed until the armature has arrived in its end position, the z. B. may be predetermined by a second mechanical stop A2.
  • the magnet armature is now in a position in which a magnetic switch belonging to the electrical switch is closed by touching the contact stamp of two electrodes.
  • closing a short closing time can be achieved, since the electromagnet must work only against the weak restoring force of the first spring element Fl, in particular in the critical initial ⁇ phase and thus can quickly accelerate ⁇ nigen.
  • a rapid opening of the electrical switch is achieved by the fact that when deactivating the Elektromag ⁇ Neten directly the second, stronger restoring force of the second spring element F2 acts.
  • a magnet armature is given, which allows both a fast closing and a quick opening and in particular the burning time of a resulting
  • Figure 4 shows an embodiment of the armature MA, which also uses a sliding sleeve between a B ers ⁇ th spring member having a first spring constant kl and ei ⁇ nem second spring member having a second spring constant k2 is arranged.
  • the rear end of the armature MA has a coaxially around a zy ⁇ relieving shaped portion of the contact stamp arranged ke ⁇ gel elevation in the direction of the contact stamp KS.
  • the associated guide has a correspondingly shaped conical recess facing the end of the armature. When closing the switch so ⁇ is obtained with a self-centering guide.
  • a further spring element FTA is arranged, which can compensate for height tolerances and generates the actual contact force.
  • a portion of an insulating material IM is arranged to the over the contact stamp KS to electrically isolating switching electrical contacts and the armature.
  • FIG. 5 shows a cross section through a possible embodiment of a contactor SCH in its rest position RP.
  • the contactor SCH has a yoke J, in which electrical windings of a coil SP are arranged.
  • Figure 5 also shows a cavity HR, the contact stamp KS resteste ⁇ hen in the ends of a first electrode and a second electrode. If the magnetic tanker first moves against the resistance of the first spring element and then against the stronger resistance of the second spring element, the contact stamp KS is pressed against the ends of the two electrodes ELI, EL2, whereby the two electrodes ELI, EL2 are interconnected.
  • In the cavity HR is a gas, for. As a noble gas, in order to extinguish an arc as quickly as possible in particular when opening the contact in order to protect the material of the electrodes and the contact stamp KS.
  • Figure 6 shows an embodiment of the armature MA with a fourth stop A4 and an embodiment of the contactor SCH with a third stop A3, respectively in the
  • Rest position RP The position of anchor MA and guide FÜ in the rest position RP is determined by the third stop A3.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the magnet armature MA with a fourth stop A4 and the contactor SCH with a third stop A3 in the middle position MP.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the magnet armature MA with a fourth A4 and the contactor SCH with a third A3 stop in the end position EP.
  • the position of anchor MA and guide FÜ in the end position EP is determined by the second stop A2.
  • Magnetic armature with additional stops, devices for biasing in particular the second spring element and further measures for reducing the load on the electrodes of a contactor represent objects according to the invention.
  • A2 second mechanical stop
  • FTA spring element for tolerance compensation

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Abstract

Es werden ein Magnetanker für ein Schütz, ein Schütz und ein Verfahren zum Schalten eines Schützes angegeben. Der Magnetanker ermöglicht eine Verringerung der Gefahr des Verklebens der Kontakte eines Schützes und umfasst dazu ein erstes Federelement mit einer ersten Steifigkeit und ein zweites Element mit einer zweiten Steifigkeit. Beim Übergang von einer Ruheposition zu einer mittleren Position wird das erste Federelement verformt. Beim Übergang von der mittleren Position zu einer Endposition wird das zweite Federelement verformt.

Description

Beschreibung
Magnetanker, Schütz mit Magnetanker und Verfahren zum Schalten eines Schützes
Die Erfindung betrifft Magnetanker, z. B. Magnetanker für elektromagnetische Schütze, Schütze mit Magnetanker und Ver¬ fahren zum Schalten eines Schützes. In elektromagnetisch betreibbaren Schützen stellt i. A. ein
Magnetanker einen beweglichen Teil dar, der durch Verschieben eines Kontaktstempels zwei Elektroden elektrisch leitend ver¬ binden kann. Schütze werden verwendet, um starke elektrische Ströme und/oder hohe elektrische Spannungen gegebenenfalls in einer Schutzgasatmosphäre zu schalten. Die unmittelbaren Vorgänge des Schließens oder des Öffnens des Schalters und dabei auftretende Lichtbögen stellen bei hoher zu schaltender elektrischer Leistung eine große Belastung, insbesondere für das Material der Elektroden und des Kontaktstempels, dar. Mit zunehmender Zahl der Schaltvorgänge steigt die Gefahr des Verklebens dieser elektrischen Kontakte.
Es sind Schütze mit einer so genannten Booster-Schaltung zur Verringerung der Schließzeit bekannt. Dabei wird der Elektro- magnet beim Einschalten kurzzeitig, d. h. einige Millisekunden, mit einer Überspannung beaufschlagt, um die Anzugskraft zu erhöhen.
Es existiert deshalb der Wunsch nach Schaltvorgängen mit ver- ringerter Belastung für das Elektrodenmaterial, insbesondere nach Schaltvorgängen mit verringerter Gefahr des Verklebens der Kontakte. Der hier beschriebene Magnetanker, insbesondere der Magnetanker gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, ermöglicht solche Schaltvorgänge. Übrige Ansprüche geben vorteilhafte Ausge¬ staltungen des Ankers an.
Der Magnetanker umfasst ein erstes Federelement mit einer ersten Federsteifigkeit kl, ein zweites Federelement mit ei¬ ner zweiten Steifigkeit k2, eine Ruheposition, eine Endposi¬ tion und eine mittlere Position, die sich zwischen der Ruhe- position und der Endposition befindet. Das erste Federelement ist dazu vorgesehen, während eines Schaltvorgangs beim Über¬ gang von der Ruheposition zur mittleren Position, aber nicht beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition elastisch verformt zu werden. Das zweite Element ist dazu vorgesehen, beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition, aber nicht beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position elastisch verformt zu werden.
Die Ruheposition, die mittlere Position und die Endposition stellen dabei Positionen des Magnetankers relativ zu seiner Umgebung, z. B. innerhalb eines elektromagnetischen Schalters, dar. Die mittlere Position muss nicht zwingend gleich¬ weit von der Ruheposition wie von der Endposition beabstandet sein. Die Ruheposition gibt dabei diejenige Position an, in der sich der Magnetanker befindet, wenn keine magnetische Kraft auf ihn einwirkt. Die Endposition gibt dabei die
Gleichgewichtsposition an, wenn die für das Schließen eines Schalters vorgesehene magnetische Kraft auf den Magnetanker einwirkt und der zu schließende elektrische Kontakt dauerhaft geschlossen ist. Die erste Steifigkeit kl des ersten Federelements und die zweite Steifigkeit k2 des zweiten Federelements können ver¬ schieden sein. Dadurch, dass der Magnetanker sich beim Bewegen von der Ruheposition zur mittleren Position gegen die Rückstellkraft des ersten Federelements und beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition gegen die Federkraft des zweiten Elements bewegt, kann eine Verringerung der
Schaltzeit erreicht werden. Insbesondere wenn die Federstei- figkeit kl des ersten Federelements geringer als die Feder- Steifigkeit k2 des zweiten Federelements ist, arbeitet der Magnetanker beim Anziehen gegen eine kleinere Widerstandskraft an, sodass eine größere Beschleunigung und damit eine Verkürzung der Schaltzeit erreicht wird. Befindet sich der Magnetanker in seiner Endposition, bewirkt im Wesentlichen die Rückstellkraft des zweiten Federelements ein schnelles Öffnen, wenn die magnetische Kraft auf den Mag¬ netanker (d. h. beim Öffnen des Schalters) entfällt. Es wird also ein Magnetanker angegeben, der eine nicht einfach lineare Widerstandskraft beim Schließen und beim Öffnen erfährt. Vielmehr wird ein Magnetanker angegeben, dessen auf ihn wirkende Widerstandskraft nacheinander durch unterschied¬ liche Federsteifigkeiten ansteigen kann.
Es ist möglich, dass das erste Federelement und das zweite Federelement in Reihe angeordnet sind. Bei in Reihe angeord¬ neten Federelementen ergibt sich eine resultierende Feder- steifigkeit der Kombination der zwei Federn, deren Kehrwert der Summe der Kehrwerte der einzelnen Federsteifigkeiten entspricht. Zwei in Reihe angeordnete Federelemente verhalten sich deshalb wie ein einzelnes Federelement mit der entspre- chenden Ersatz-Steifigkeit . Damit der Magnetanker beim Akti¬ vieren während der einen Phase der Bewegung von der Ruheposition zur mittleren Position zum einen und während der zweiten Phase während der Bewegung von der mittleren Position zur Endposition unterschiedliche Federsteifigkeiten wahrnimmt, sind zusätzliche technische Vorkehrungen, z. B. mechanische Anschläge und/oder ein Beaufschlagen einzelner Federelemente mit einer Feder-Vorspannung und/oder das Vorsehen einer verschiebbaren Buchse, wie unten beschrieben, notwendig.
Es ist deshalb möglich, dass der Magnetanker zusätzlich eine Buchse umfasst, die zwischen dem ersten Federelement und dem zweiten Federelement angeordnet ist. Die Buchse kann dabei das eine zur Buchse gerichtete Ende des ersten Federelements und das eine zur Buchse gerichtete Ende des zweiten Federele¬ ments berühren.
Es ist möglich, dass der Magnetanker zusätzlich einen zylinderförmigen Abschnitt umfasst. Das erste Federelement, die Buchse und das zweite Federelement umgeben den zylinderförmi¬ gen Abschnitt - oder jeweils einen eigenen zylinderförmigen Abschnitt mit gegebenenfalls unterschiedlichem Radius - koa¬ xial. Das zur Buchse weisende Ende des ersten Federelements ist dazu vorgesehen, beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position, aber nicht beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition sich relativ zum zylinderförmigen Abschnitt zu bewegen. Die Buchse und das zur Buchse wei¬ sende Ende des zweiten Federelements sind dazu vorgesehen, beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition, aber nicht beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position, sich relativ zum zylinderförmigen Abschnitt zu bewegen . Es ist möglich, dass ein Übergang von der Ruheposition in die Endposition eine Verschiebung um eine Strecke h = hl + h2 entspricht, wobei h zwischen 1,5 mm und 2,5 mm lang sein kann .
Die Strecke h von der Ruheposition in die Endposition ist dabei der volle Hub, den der Magnetanker beim Aktivieren zurücklegt, um mit einem Kontaktstempel zwei Elektroden eines Schützes zu verschalten.
Der Hub h kann z. B. 2 mm betragen.
Es ist möglich, dass ein Übergang des Magnetankers von seiner Ruheposition in seine mittlere Position einer Verschiebung um eine Strecke hl entspricht, die in einem Intervall zwischen dem 0,4-Fachen und dem 0,6-Fachen des gesamten Hubs h = hl + h2 liegt.
Mit anderen Worten: Die mittlere Position kann in einem In- tervall zwischen 40 % und 60 % des vollen Hubs h liegen.
Die Teil-Hübe um eine Strecke hl von der Ruheposition in die mittlere Position und h2 von der mittleren Position zur Endposition können gleich sein: hl = h2 = h/2.
Es ist möglich, dass die Federsteifigkeit eines der beiden Federelemente zirka das 3,3-3,6 Fache der jeweils anderen Fe¬ dersteifigkeit beträgt. Dabei kann das zweite Federelement die höhere Federsteifigkeit aufweisen: 3,3 -S k2/kl < 3,6. Konkret ist es möglich, dass die Federsteifigkeit des ersten Federelements zwischen 0,5 N/mm und 0,9 N/mm liegt. Die Stei¬ figkeit des zweiten Federelements kann zwischen 2,3 N/mm und 2,7 N/mm liegen.
Es ist möglich, dass der Magnetanker neben zumindest einem zylinderförmigen Abschnitt ferner einen Kontaktstempel und/oder ein magnetisierbares Material umfasst. Der Kontakt¬ stempel ist an einem Ende des Bereichs des Ankers mit dem ei- nen oder den mehreren zylinderförmigen Abschnitten angeordnet. Das optionale magnetisierbare Material kann am entgegen¬ gesetzten Ende angeordnet sein. Der Kontaktstempel umfasse ein elektrisch leitendes Material und ist dazu vorgesehen, in der Endposition des Magnetankers zwei elektrische Kontakte zu verschalten. Das magnetisierbare Material kann Eisen, Kobalt und/oder Nickel umfassen oder aus Eisen, Kobalt oder Nickel bestehen. Über das magnetisierbare Material kann der Magnet¬ anker magnetisch mit seiner Umgebung (z. B. einer benachbarten Magnetspule in einem Joch) wechselwirken, insbesondere um ein Verschieben zwischen den drei Positionen, d. h. ein
Schalten mittels des Kontaktstempels, zu ermöglichen.
Es ist möglich, dass der zylinderförmige Abschnitt einen ers¬ ten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt umfasst. Der erste Teilabschnitt kann einen ersten Durchmesser und der zweite Teilabschnitt kann einen zweiten Durchmesser haben. Zwischen den beiden Teilabschnitten kann der zylinderförmige Abschnitt und damit der Durchmesser eine Stufe aufweisen. Die Stufe zwischen den beiden Teilabschnitten kann einen vierten Anschlag, insbesondere für die Buchse, darstellen.
Es ist möglich, dass die Buchse den vierten Anschlag beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position (MP) aber nicht beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition berührt.
Dadurch ist es möglich, dass die Buchse die beiden Federn zumindest in einer Position, z. B. der Ruheposition, oder beim Übergang von der mittleren Position zu Ruheposition entkoppelt, was das Schaltverhalten eines entsprechend ausge¬ statteten Schützes verbessert. Ein Schütz kann einen wie oben beschriebenen Magnetanker mit einer Buchse zwischen den beiden Federelementen, ein Joch mit integrierter Spule und eine Führung mit einem ersten mechanischen Anschlag umfassen. Der Magnetanker und das Joch bilden einen elektromagnetischen Aktuator, der dazu vorgesehen ist, den Magnetanker relativ zum Joch und zur Führung zu bewegen. In Positionen zwischen der Ruheposition und der mittleren Position berührt die Buchse den ersten mechanischen Anschlag nicht. In Positionen zwischen der mittleren Position und der Endposition berührt die Buchse den ersten mechanischen An- schlag.
Die mittlere Position ist somit definiert als diejenige Posi¬ tion, ab der die Buchse während des Schließens den Anschlag berührt. Von der Ruheposition bis zur mittleren Position wirkt im Wesentlichen das erste Federelement einer schließen- den Kraft entgegen: Bewegt sich der Magnetanker von seiner
Ruheposition zur mittleren Position, so wird im Wesentlichen das erste Federelement gestaucht. Das zweite Federelement kann dabei mit einer Vorspannung beaufschlagt sein, die grö¬ ßer ist als die Spannung auf das erste Federelement in der mittleren Position. Dadurch wird das zweite Federelement beim Übergang von der Ruheposition zur mittleren Position nicht gestaucht . Trifft die Buchse auf den mechanischen Anschlag, so kann die Spannung auf das erste Federelement nicht weiter steigen, da die Kraft über die Buchse und den mechanischen Anschlag an die Führung abgegeben wird. Infolgedessen wird die weitere Bewegung von der mittleren Position zur Endposition durch ein Stauchen des zweiten Federelements ermöglicht.
Es ist möglich, dass das Schütz im Joch eine oder mehrere Spulen umfasst, die ein magnetisches Feld erzeugen können und zusammen mit dem magnetisierbaren Material des Ankers einen Elektromagneten bilden.
Das Schütz kann ferner einen Hohlraum umfassen, in dem der Kontaktstempel am Magnetanker und zwei voneinander beabstan- dete Elektroden angeordnet sind. Der Hohlraum kann mit einem Gas, z. B. einem Edelgas, gefüllt sein. Der Abstand zwischen den Elektroden und dem Kontaktstempel ist vorzugsweise klei¬ ner als der gesamte Hub h des Magnetankers. Der Magnetanker kann zusätzlich ein weiteres Federelement aufweisen, das Fertigungstoleranzen des Abstands zwischen den Elektroden und dem Kontaktstempel ausgleichen kann und die eigentliche Kontaktkraft erzeugt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn das Material der Elektroden oder des Kontakt- stempeis durch wiederholte Schaltvorgänge bei hoher elektri¬ scher Leistung abgetragen wird.
Der Elektromagnet eines solchen Schützes kann mit einer Be¬ triebsspannung von 12 V, 24 V, 48 V oder jeder anderen zur Verfügung stehenden Spannung betrieben werden. Das Schütz kann einen Hohlraum, z. B. einen mit einem Inertgas gefüllten Hohlraum, in dem sich die zu schaltenden Kontakte befinden, aufweisen. Schütze mit einem Gas gefüllten Hohlraum wird üblicherweise auch als GFC (Gas Filled Contac- tor, Gas gefülltes Schütz) bezeichnet. Da solche Schütze ins¬ besondere zum Schalten hoher Spannungen geeignet sind, sind sie auch als HVC (HVC = High Voltage Contactor) bekannt.
Die durch die nichtlineare Gegenkraft erhöhte Lebensdauer kann durch die Gasfüllung im Hohlraum weiter erhöht sein.
Es ist möglich, dass das Schütz eine Führung mit einem dritten Anschlag aufweist. Der dritte Anschlag kann eine Begren¬ zung für die Bewegung des Magnetankers darstellen. Der Mag- netanker kann in seiner Ruheposition den dritten Anschlag berühren .
Der dritte Anschlag kann dabei insbesondere die Kraft der ersten Feder in der Ruheposition aufnehmen. Damit bestimmt die Position des dritten Anschlags die Position des Magnetankers relativ zur Führung in der Ruheposition, eine definierte Ruheposition .
Um einen definierten Wert für hl unabhängig vom Verhältnis der Federraten zu realisieren, und um die Federkräfte zu ent¬ koppeln, sollte der zylindrische Abschnitt den vierten mecha¬ nischen Anschlag aufweisen, der wie oben beschrieben durch zwei unterschiedliche Durchmesser am zylindrischen Abschnitt und die entsprechende Stufe realisiert sein kann. Dadurch kann das zweite, z. B. steifere, Federelement unabhängig vom ersten, z. B. weicheren, Federelement dimensioniert und über die Buchse und den vierten mechanischen Anschlag mit defi¬ nierter Vorspannung eingebaut werden. Das Verhältnis der Federraten ist nicht limitiert. Die Zah¬ lenwerte (z. B. eine Federhärte von 0,5 N/mm für die steifere Feder und 3 N/mm für die weichere Feder) hängen unter anderem von der Baugröße ab und sind nur als Beispiele zu verstehen.
Eine Reihenschaltung der beiden Federelemente ist möglich aber nicht zwingend. Die mechanischen Anschläge, insbesondere der erste und der vierte Anschlag, können die Federn entkop- peln.
Ein Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Schützes, das einen Elektromagneten, einen Kontaktstempel und ein erstes Federelement aufweist, umfasst die Schritte:
- Aktivieren des Elektromagneten in einer Ruheposition,
- Beschleunigen des Kontaktstempels gegen die Rückstellkraft des ersten Federelements bis zu einer mittleren Position,
- Bewegen des Kontaktstempels gegen die Rückstellkraft des zweiten Federelements bis zu einer Endposition.
Ein Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Schützes, das einen Elektromagneten, einen Kontaktstempel ein erstes Federelement und ein zweites Federelement aufweist, umfasst die Schritte:
- Aktivieren des Elektromagneten in einer Ruheposition,
- Beschleunigen des Kontaktstempels gegen die Rückstellkraft des ersten Federelements bis zu einer mittleren Position,
- Bewegen des Kontaktstempels gegen die Rückstellkraft des zweiten Federelements bis zu einer Endposition.
Im Folgenden werden das Funktionsprinzip und beispielhafte Ausführungsformen anhand von schematischen Figuren gezeigt und näher erläutert. einen Querschnitt durch eine einfache Ausführungs¬ form eines Magnetankers MA in seiner Ruheposition, einen Querschnitt durch eine einfache Ausführungs¬ form in seiner mittleren Position, einen Querschnitt durch eine einfache Ausführungs¬ form des Schützes in seiner Endposition, einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Magnetankers mit Federelement für einen Toleranz¬ ausgleich und mit Kontaktstempel, einen Querschnitt durch ein Schütz mit einem Magnetanker und mit einem Kontaktstempel, einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode in einem Gas gefüllten Hohlraum, entsprechend den Beispielen der Figuren 5 und/oder 6. einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Magnetankers MA mit einem dritten A3 und einem vierten Anschlag A4, einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 6 in der mittleren Position, einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 6 in der Endposition, Figur 1 zeigt den Querschnitt durch eine einfache Ausfüh¬ rungsform eines Magnetankers MA in seiner Ruheposition RP . Der Magnetanker MA hat ein erstes Federelement Fl und ein zweites Federelement F2. Die beiden Federelemente Fl, F2 be- stimmen die Rückstellkräfte beim Übergang von seiner Ruheposition in seine Endposition. Insbesondere bestimmt das erste Federelement Fl die Rückstellkraft beim Übergang von der Ru¬ heposition in die mittlere Position. Die Rückstellkraft beim Übergang von der mittleren Position zur Endposition wird durch die Federsteifigkeit des zweiten Federelements F2 be¬ stimmt, hl ist dabei die Länge der Strecke, die beim Übergang von der Ruheposition in die mittlere Position zurückgelegt wird, h = hl + h2 ist dabei die Länge der Strecke, die beim Übergang von der Ruheposition in die Endposition zurückgelegt wird.
Figur 1 zeigt zusätzlich zum Magnetanker MA eine Führung FÜ, die die Bewegung des Ankers beim Übergang zwischen den Positionen auf eine Verschiebung entlang einer Achse beschränkt. Die Führung FÜ kann somit eine Führungsschiene mit einem ers¬ ten Anschlag AI darstellen. Zwischen dem ersten Federelement Fl und dem zweiten Federelement F2 ist eine Buchse B angeord¬ net. Der Magnetanker MA weist einen zylinderförmigen Abschnitt ZA auf. Das erste Federelement Fl, das zweite Fe- derelement F2 und die Buchse B sind koaxial um den zylinder¬ förmigen Abschnitt ZA angeordnet. An einem Ende des zylinder¬ förmigen Abschnitts ZA ist der Kontaktstempel KS angeordnet. Am anderen Ende des zylinderförmigen Abschnitts ZA ist ein magnetisierbares Material M angeordnet. Bewegt sich der lie- gend gezeichnete Magnetanker MA relativ zur Führung FÜ nach links, so wird im Wesentlichen das Federelement mit der ge¬ ringeren Federsteifigkeit , hier das erste Federelement Fl, gestaucht. Hat das zweite Federelement F2 eine deutlich hö¬ here Federsteifigkeit oder steht das zweite Federelement F2 unter einer Vorspannung, die größer ist als die Spannung des ersten Federelements Fl in der mittleren Position, so wird das zweite Federelement F2 nicht oder nur unwesentlich beim Übergang von der Ruheposition RP in die mittlere Position MP gestaucht. Während des Übergangs von der Ruheposition RP zur mittleren Position MP bewegt sich dabei die Buchse B um die Strecke hl, bis die Buchse B auf den ersten Anschlag AI trifft. Während dieser Phase der Bewegung ist die auf den
Magnetanker MA wirkende Rückstellkraft im Wesentlichen oder ausschließlich durch die Federsteifigkeit des ersten Fe¬ derelements Fl gegeben. Figur 2 zeigt den Magnetanker in seiner mittleren Position MP . Dabei berührt die Buchse B den ersten Anschlag AI. Wird der Magnetanker weiter relativ zur Führung FÜ nach links bewegt, stützt sich die Buchse B auf dem ersten Anschlag AI ab, sodass das erste Federelement Fl nicht weiter gestaucht wer- den kann. Bei der weiteren Bewegung wird zwangsläufig das zweite Federelement F2 gestaucht.
Entsprechend zeigt Figur 3 den Magnetanker in seiner Endposition EP. Dabei wird das zweite Federelement F2 solange ge- staucht, bis der Magnetanker in seiner Endposition angekommen ist, die z. B. durch einen zweiten mechanischen Anschlag A2 vorgegeben sein kann.
Der Magnetanker befindet sich nun in einer Position, in der ein zum Magnetanker gehöriger elektrischer Schalter durch Berühren des Kontaktstempels von zwei Elektroden geschlossen ist . Beim Schließen kann eine kurze Schließzeit erreicht werden, da der Elektromagnet insbesondere in der kritischen Anfangs¬ phase lediglich gegen die schwache Rückstellkraft des ersten Federelements Fl arbeiten muss und dadurch schnell beschleu¬ nigen kann. Ein schnelles Öffnen des elektrischen Schalters wird dadurch erreicht, dass beim Deaktivieren des Elektromag¬ neten unmittelbar die zweite, stärkere Rückstellkraft des zweiten Federelements F2 wirkt. Insgesamt wird also ein Magnetanker angegeben, der sowohl ein schnelles Schließen als auch ein schnelles Öffnen ermöglicht und der insbesondere die Brenndauer eines entstehenden
Lichtbogens und die Gefahr eines Verklebens der Kontakte verringert .
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Magnetankers MA, bei dem ebenfalls eine verschiebbare Buchse B zwischen einem ers¬ ten Federelement mit einer ersten Federsteifigkeit kl und ei¬ nem zweiten Federelement mit einer zweiten Federsteifigkeit k2 angeordnet ist. Das hintere Ende des Magnetankers MA weist in Richtung des Kontaktstempels KS eine koaxial um einen zy¬ linderförmigen Abschnitt des Kontaktstempels angeordnete ke¬ gelförmige Erhebung auf. Die zugehörige Führung weist eine entsprechend geformte kegelförmige Ausnehmung, die zum Ende des Ankers weist, auf. Beim Schließen des Schalters wird so¬ mit eine selbstzentrierende Führung erhalten. Zwischen dem Kontaktstempel KS und dem übrigen Abschnitt des Ankers MA ist ein weiteres Federelement FTA angeordnet, das Höhentoleranzen ausgleichen kann und die eigentliche Kontaktkraft erzeugt. Zwischen dem weiteren Federelement FTA und dem übrigen Abschnitt des Ankers ist ein Abschnitt aus einem isolierenden Material IM angeordnet, um die über den Kontaktstempel KS zu schaltenden elektrischen Kontakte und den Magnetanker galvanisch zu isolieren.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch eine mögliche Ausfüh- rungsform eines Schützes SCH in seiner Ruheposition RP . Zusätzlich zum Magnetanker mit seinem magnetisierbaren Material M hat das Schütz SCH ein Joch J, in dem elektrische Wicklungen einer Spule SP angeordnet sind. Figur 5 zeigt zusätzlich einen Hohlraum HR, in dem Enden einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode dem Kontaktstempel KS gegenüberste¬ hen. Wird der Magentanker zuerst gegen die Widerstandskraft des ersten Federelements und anschließend gegen die stärkere Widerstandskraft des zweiten Federelements bewegt, so wird der Kontaktstempel KS gegen die Enden der beiden Elektroden ELI, EL2 gedrückt, wodurch die beiden Elektroden ELI, EL2 miteinander verschaltet werden. Im Hohlraum HR ist ein Gas, z. B. ein Edelgas, enthalten, um insbesondere beim Öffnen des Kontakts einen Lichtbogen schnellstmöglich zu löschen, um das Material der Elektroden und des Kontaktstempels KS zu schüt- zen.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform des Magnetankers MA mit einem vierten Anschlag A4 und eine Ausführungsform des Schützes SCH mit einem dritten Anschlag A3, jeweils in der
Ruheposition RP . Die Lage von Anker MA und Führung FÜ in der Ruheposition RP wird durch den dritten Anschlag A3 bestimmt.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform des Magnetankers MA mit einem vierten Anschlag A4 und des Schützes SCH mit einem dritten Anschlag A3 in der mittleren Position MP . Diese
Position stellt einen Moment im Bewegungsablauf dar, im dem das zweite Federelement F2 aktiv wird. Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des Magnetankers MA mit einem vierten A4 und des Schützes SCH mit einem dritten A3 Anschlag in der Endposition EP. Die Lage von Anker MA und Führung FÜ in der Endposition EP wird durch den zweiten An- schlag A2 bestimmt.
Aus den Figuren 6, 7 und 8 wird folgendes klar: um einen de¬ finierten Wert für hl unabhängig vom Verhältnis der Federraten zu realisieren, und um die Federkräfte zu entkoppeln, hat der zylindrische Abschnitt ZA den vierten mechanischen Anschlag A4 in Form einer Stufe der Durchmesser. Dadurch sind das zweite Federelement F2 und das erste Federelement Fl wäh¬ rend einer Phase beim Aktivieren bis zum Erreichen der mittleren Position des Schützes SCH entkoppelt. Insbesondere die mechanischen Anschläge eins AI und vier A4 entkoppeln die Federn Fl, F2.
Trotz seines komplex aufgebauten Magnetankers wird ein Schütz mit verbesserter elektrischer Leistungsfähigkeit angegeben, das übliche geometrische Abmessungen einhalten kann und sich somit leicht in bestehende externe Schaltungsumgebungen in¬ tegrieren lässt.
Weder der Magnetanker noch das Schütz noch das Verfahren zum Schalten des Schützes sind auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Magnetanker mit zusätzlichen Anschlägen, Vorrichtungen zum Vorspannen insbesondere des zweiten Federelements und weiteren Maßnahmen zur Verringerung der Belastung der Elektroden eines Schützes stellen erfindungsgemäße Gegen- stände dar. Bezugs zeichenliste
AI : erster mechanischer Anschlag
A2 : zweiter mechanischer Anschlag
A3: dritter mechanischer Anschlag
A4 : vierter mechanischer Anschlag
B: Buchse
ELI : erste Elektrode
EL2 : zweite Elektrode
EP: Endposition
Fl : erstes Federelement
F2 : zweites Federelement
FTA: Federelement für Toleranzausgleich
FÜ: Führung
h: Strecke der Länge des Übergangs von der Ruheposition zur Endposition
hl : Strecke des Übergangs von der Ruheposition zur mittle ren Position
h2 : Länge der Strecke des Übergangs von der mittleren Po¬ sition zur Endposition
HR: Hohlraum
IM: isolierendes Material
J: Joch
KS : KontaktStempel
M: magnetisierbares Material
MA: Magnetanker
MP: mittlere Position
RP: Ruheposition
SCH: Schütz
ZA: zylinderförmiger Abschnitt
ZA1 : erster Teilabschnitt
ZA2 : zweiter Teilabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Magnetanker (MA) , umfassend
- ein erstes Federelement (Fl) mit einer ersten Steifigkeit kl,
- ein zweites Federelement (F2) mit einer zweiten Steifigkeit k2,
- eine Ruheposition (RP) , eine Endposition (EP) und eine mittlere Position (MP) zwischen der Ruheposition (RP) und der Endposition (EP),
wobei
- das erste Federelement (Fl) dazu vorgesehen ist, beim
Übergang von der Ruheposition (RP) zur mittleren Position (MP) aber nicht beim Übergang von der mittleren Position (MP) zur Endposition (EP) elastisch verformt zu werden,
- das zweite Federelement (F2) dazu vorgesehen ist, beim Übergang von der mittleren Position (MP) zur Endposition (EP) aber nicht beim Übergang von der Ruheposition (RP) zur mittleren Position (MP) elastisch verformt zu werden.
2. Magnetanker nach dem vorherigen Anspruch, wobei das erste Federelement (Fl) und das zweite Federelement (F2) in Reihe angeordnet sind.
3. Magnetanker nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend eine Buchse (B) zwischen dem ersten Federelement (Fl) und dem zweiten Federelement (F2) .
4. Magnetanker nach dem vorherigen Anspruch,
- ferner umfassend einen zylinderförmigen Abschnitt (ZA) , den das erste Federelement (Fl), die Buchse (B) und das zweite Federelement (F2) koaxial umgeben, wobei - das zur Buchse (B) weisende Ende des ersten Federelements (Fl) dazu vorgesehen ist, beim Übergang von der Ruheposition (RP) zur mittleren Position (MP) aber nicht beim Übergang von der mittleren Position (MP) zur Endposition (EP) sich relativ zum zylinderförmigen Abschnitt (ZA) zu bewegen,
- die Buchse (B) und das zur Buchse (B) weisende Ende des zweiten Federelements (F2) dazu vorgesehen sind, beim
Übergang von der mittleren Position (MP) zur Endposition (EP) aber nicht beim Übergang von der Ruheposition (RP) zur mittleren Position (MP) sich relativ zum zylinderförmigen Abschnitt (ZA) zu bewegen.
5. Magnetanker nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- ein Übergang von der Ruheposition (RP) in die Endposition (EP) einer Verschiebung um eine Strecke h = hl + h2, die zwischen 1,5 und 2,5 mm lang ist, entspricht und
- der Übergang von der Ruheposition (RP) in die mittlere Position (MP) eine Verschiebung um hl darstellt und
- der Übergang von der mittleren Position (MP) in die
Endposition (EP) eine Verschiebung um h2 darstellt.
6. Magnetanker nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Übergang von der Ruheposition (RP) in die mittlere Position (MP) einer Verschiebung um eine Strecke hl entspricht, die in einem Intervall zwischen dem 0,4-fachen und dem 0,6-fachen der Strecke h = hl + h2 der Verschiebung von der Ruheposition (RP) zur Endposition (EP) liegt.
7. Magnetanker nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei 3, 3 < k2/kl < 3, 6.
8. Magnetanker nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei 0,5 N/mm < kl < 0,9 N/mm und 2,3 N/mm < k2 < 2,7 N/mm.
9. Magnetanker nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend
- einen zylinderförmigen Abschnitt (ZA) und ferner umfassend
- einen Kontaktstempel (KS) und ein magnetisierbares Material (M) ,
wobei
- der Kontaktstempel (KS) ein elektrisch leitendes Material umfasst und dazu vorgesehen ist, in seiner Endposition (EP) zwei elektrische Kontakte (ELI, EL2) zu verschalten und
- das magnetisierbare Material (M) Eisen, Kobalt und/oder Nickel umfasst.
10. Magnetanker, nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- der zylinderförmige Abschnitt (ZA) einen ersten
Teilabschnitt (ZA1) mit einem ersten Durchmesser, einen zweiten Teilabschnitt (ZA2) mit einem zweiten Durchmesser und eine Stufe zwischen den beiden Teilabschnitten (ZA1, ZA2) aufweist,
- die Stufe zwischen den beiden Teilabschnitten (ZA1, ZA2) einen vierten Anschlag (A4) darstellt und
- der vierte Anschlag (A4) ein Anschlag für die Buchse (B) darstellt .
11. Magnetanker, nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- die Buchse (B) den vierten Anschlag (A4) beim Übergang von der Ruheposition (RP) zur mittleren Position (MP) berührt und
- die Buchse (B) den vierten Anschlag (A4) beim Übergang von der mittleren Position (MP) zur Endposition (EP) nicht berührt .
12. Magnetanker, nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- die Buchse (B) die beiden Federn (Fl, F2) zumindest in einer Position (RP, MP, EP) entkoppelt.
13. Schütz (SCH) , umfassend
- einen Magnetanker (MA) nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer Buchse (B) zwischen den beiden Federelementen (Fl, F2) ,
- ein Joch (J) und
- eine Führung (FÜ) mit einem mechanischen Anschlag (AI), wobei
- der Magnetanker (MA) und das Joch (J) einen
elektromagnetischen Aktuator bilden, der dazu vorgesehen ist, den Magnetanker (MA) relativ zum Joch (J) und zur Führung (FÜ) zu bewegen,
- in Positionen zwischen der Ruheposition (RP) und der mittleren Position (MP) die Buchse (B) den mechanischen
Anschlag (AI) nicht berührt
- in Positionen zwischen der mittleren Position (MP) und der Endposition (EP) die Buchse (B) den mechanischen Anschlag (AI) berührt.
14. Schütz nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- die Führung (FÜ) einen dritten Anschlag (A3) aufweist,
- der dritte Anschlag (A3) eine Begrenzung für die Bewegung des Magnetankers (MA) darstellt und
- der Magnetanker (MA) in seiner Ruheposition (RP) den dritten Anschlag (A3) berührt.
15. Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Schützes (SCH) mit einem Elektromagneten, einem Kontaktstempel (KS) , einem ersten Federelement (Fl) und einem zweiten Federelement (F2), umfassend die Schritte:
- Aktivieren des Elektromagneten in einer Ruheposition (RP) , - Beschleunigen des Kontaktstempels (KS) gegen die Rückstellkraft des ersten Federelements (Fl) bis zu einer mittleren Position (MP) ,
- Bewegen des Kontaktstempels (KS) gegen die Rückstellkraft des zweiten Federelements (F2) bis zu einer Endposition (FP) .
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