электромагнитный привод

Формула изобретения

1. Электромагнитный привод (1) для выключателя, в частности, в области техники среднего напряжения, с по крайней мере одним магнитопроводом (2, 3), который ограничивает воздушный зазор, с расположенной в воздушном зазоре (4) направляемой подвижно относительно магнитопровода (2, 3) подвижной частью (5), с по крайней мере одним постоянным магнитом и с по крайней мере одним нагружаемым током проводником (6), причем один проводник или проводники (6) при движении подвижной части (5) по крайней мере частично находится/находятся в магнитном потоке, созданном постоянным магнитом или постоянными магнитами, отличающийся тем, что подвижная часть (5) жестко соединена с по крайней мере одним блокировочным телом (7) из магнитомягкого материала и магнитный поток, созданный постоянным магнитом/постоянными магнитами (3), пронизывает блокировочное тело (7) в конечном положении подвижной части (5), причем воздушный зазор (4) шунтирован для магнитного потока блокировочным телом (7).

2. Электромагнитный привод (1) по п.1, отличающийся тем, что подвижная часть (5) содержит по крайней мере одну катушку (6) с каркасом, который обмотан проводником, причем каждое блокировочное тело соединено с торцовой стороной катушки (6).

3. Электромагнитный привод (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитопровод имеет постоянный магнит или постоянные магниты (3), а также ярмо (2) из магнитомягкого материала, причем созданный каждым постоянным магнитом (3) магнитный поток пронизывает ярмо (2).

4. Электромагнитный привод (1) по п.3, отличающийся тем, что каждое блокирующее тело (7) в присвоенном ему конечном положении прилегает к ярму (2) из магнитомягкого материала.

5. Электромагнитный привод (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что предусмотрена по крайней мере одна пружина (8) для освобождения подвижной части (5) из конечного положения.

6. Электромагнитный привод (1) по п.1, отличающийся тем, что подвижная часть (5) установлена на валу и является вращаемой и каждое блокирующее тело в конечном положении подвижной части прилегает к соединенным с магнитопроводом упорам.

7. Электромагнитный привод (1) по п.6, отличающийся тем, что подвижная часть (5) выполнена вращательно-симметричной и проводник выполнен в виде по крайней мере одной обмотки на подвижной части (5).

8. Электромагнитный привод (1) по п.3, отличающийся тем, что предусмотрена по крайней мере одна пружина (8) для освобождения подвижной части (5) из конечного положения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электромагнитному приводу для выключателя, в частности в области техники среднего напряжения с по крайней мере одним магнитнитопроводом, который ограничивает воздушный зазор, с расположенной в воздушном зазоре, направляемой подвижно относительно магнитнитопровода подвижной частью, с по крайней мере одним постоянным магнитом и с по крайней мере одним нагружаемым током проводником, причем проводник или проводники при движении подвижной части по крайней мере частично находится/находятся в магнитном потоке, созданном постоянным магнитом или постоянными магнитами.

Такой электромагнитный привод является известным, например, из DE 19815538 A1. Раскрытый там привод содержит линейный электродвигатель трехфазного тока, который составлен из нескольких модулей двигателя. Модуль двигателя содержит определенное количество неподвижных катушек двигателя, а также относящиеся к ним направляемые в продольном направлении подвижные части с постоянными магнитами. За счет возбуждения катушек двигателя возникает магнитное поле, в котором расположены постоянные магниты подвижной части. Вследствие созданной силы Лоренца возникает приводное движение подвижной части, которая связана через оперативную штангу с подвижным контактом выключателя. Для включения вакуумного выключателя подвижный контакт прижимается с помощью линейного электродвигателя трехфазного тока относительно неподвижного контакта выключателя, причем подвижная часть достигает конечного положения.

Из WO 95/07542 известен электромагнитный привод, который содержит проходящее в виде рамы замкнутое ярмо из магнитомягкого материала, которое для избежания вихревых токов составлено из пакета пластин. Ярмо образует полое пространство, в котором подвижно направляется между двумя конечными положениями якорь из магнитомягкого материала. В каждом конечном положении якорь одной из своих торцовых сторон контактирует ярмо из магнитомягкого материала, причем между другой противоположной месту контакта торцовой стороной якоря и замкнуто проходящим ярмом определен воздушный зазор. В полом пространстве ярма далее закреплены две катушки, которые окружают соответственно одну из торцовых сторон якоря. Между катушками предусмотрены постоянные магниты для создания магнитного потока. Вследствие воздушного зазора якорь остается фиксированным в соответствующем конечном положении. Путем возбуждения катушки, которая охватывает торцовую сторону на стороне воздушого зазора, в воздушном зазоре создается настолько сильный магнитный поток, что для уменьшения магнитного сопротивления якорь отрывается от ярма и при закрытии воздушого зазора переводится в свое второе стабильное конечное положение, в котором он своей другой торцовой стороной, которая до этого ограничивала воздушный зазор, прилегает к ярму. Ток возбуждения катушки может теперь прерываться, так как якорь зафиксирован также в этом конечном положении.

Оба описанные до этого ранее известные магнитные приводы основаны на разных физических эффектах. Электромагнитный привод согласно DE 19815538 A1 использует для создания приводного действия так называемую силу Лоренца, которая возникает при движении заряженных частиц в магнитном поле. Действие электромагнитного привода согласно WO 95/07542 сводится к физическому эффекту, что магнитное поле распространяется предпочтительно в материале с высокой магнитной проницаемостью или, другими словами, в материале с малым магнитным сопротивлением. Посредством сдвига якоря вся система переводится из энергетически невыгодного состояния с высоким магнитным потенциалом в энергетически более выгодное состояние, в котором воздушный зазор замкнут и магнитный поток почти исключительно пронизывает материал с малым магнитным сопротивлением. Сила для перевода системы в энергетически выгодное состояние получается путем образования градиента. Приводы, которые основаны на таком эффекте, называются также реактивными приводами.

Электромагнитные приводы, которые основаны на силе Лоренца, имеют высокую динамику и, кроме того, могут управляться простым образом, а именно посредством направляемого через магнитное поле тока. Недостатком при этом, однако, является то, что эти приводы не занимают стабильные конечные положения или промежуточные положения, а должны фиксироваться в соответственно предусмотренных конечных положениях, при необходимости, за счет дополнительных средств. Для этого используют обычно пружины, защелки или тому подобное, силовое воздействие которых может сниматься только с трудом. Реактивные приводы, как правило, отличаются стабильной фиксацией конечных положений. Им присущ, однако, недостаток сильно нелинейной характеристики путь-сила, на которую можно или воздействовать только с трудом или за счет удерживающей силы в конечных положениях или за счет конструктивного пространства.

Задачей изобретения поэтому является создание электромагнитного привода названного выше вида, который в своих конечных положениях может фиксироваться простым образом, причем, однако, остается сохраненным простое управление приводным движением.

Изобретение решает эту задачу за счет того, что подвижная часть жестко связана с по крайней мере одним блокировочным телом из магнитомягкого материала и что созданный постоянным магнитом/постоянными магнитами магнитный поток, пронизывает блокировочное тело в конечном положении подвижной части, причем воздушный зазор шунтирован для магнитного потока блокировочным телом.

Соответствующий изобретению электромагнитный привод использует как силу Лоренца, так и силовое воздействие, результирующееся из снижения магнитного сопротивления или, другими словами, рекативную силу. Для этого в по крайней мере одном конечном положении шунтируют блокировочным телом воздушный зазор, который повышает магнитное сопротивление для магнитного потока.

Подвижная часть принимает тем самым энергетически выгодное состояние. После освобождения блокировочного тела из своего конечного положения магнитный поток вынужден проходить через предусмотренный в магнитнитопроводе воздушный зазор или, однако, через выполненные между магнитнитопроводом и блокировочным телом и увеличивающиеся воздушные зазоры, за счет чего магнитное сопротивление повышается. Таким образом с учетом конечного положения устанавливается магнитно невыгодное состояние. Возникает магнитная сила, противодействующая освобождению. Подвижная часть через целесообразную механику, например, изолирующие штанги для управления разъединителями и рычаги передачи силы может соединяться с подвижной контакт-деталью выключателя, в частности, вакуумного выключателя. При этом в конечном положении привода подвижная контакт-деталь находится в прочном контакте с неподвижной контакт-деталью выключателя.

При прохождении тока через контакты выключателя за счет образующихся на контактах узких мест создаются взаимно отталкивающие силы. За счет блокировки конечного положения привода избегается отрыв контактов друг от друга и тем самым возникновение электрической дуги большой энергии, в частности, в случае короткого замыкания.

Основанное на уменьшении магнитного сопротивления для магнитного потока силовое воздействие имеет сильно нелинейную характеристику, так как при малых расстояниях блокировочного тела от магнитопровода образуются большие силы. При средних положениях пути, в которых блокировочное тело отстоит дальше от ярма, привод происходит почти исключительно через силы Лоренца. Соответствующий изобретению электромагнитный привод поэтому может в средних положениях пути подвижной части управляться простым образом, а именно или через целесообразное питание током проводника, или за счет изменения магнитного потока, созданного электромагнитно посредством катушек. В конечных положениях, однако, одновременно в распоряжение предоставлена достаточно высокая блокировочная сила, чтобы избежать отрыва подвижной контакт-детали от неподвижной встречной контакт-детали также в случае короткого замыкания.

При этом ни в коей мере не требуется, чтобы блокировочное тело прилегало для шунтирования к ограничивающим воздушный зазор областям магнитопровода или магнитопроводов. Более того, блокировочное тело может удерживаться также на небольшом расстоянии относительно этих областей так, что в этих случаях, например, может создаваться постоянная прижимающая сила для подвижной контакт-детали относительно неподвижной контакт-детали выключателя. Существенным, однако, является то, что магнитное сопротивление в конечном положении относительно других возможных положений пути сведено к минимуму.

На подвижной части закреплены, например, постоянные магниты, причем созданный ими и возможно также проводником магнитный поток в конечном положении блокировочного тела проходит частично через блокировочное тело так, что сопротивление всей магнитной цепи в конечном положении сведено к минимуму.

В отличие от этого подвижная часть имеет по крайней мере одну катушку с каркасом, который обмотан проводом, причем каждое блокировочное тело связано с торцовой стороной катушки. Согласно этому целесообразному дальнейшему развитию изобретения электромагнитный привод является возвратно-поступательным приводом, причем возвратно-поступательное движение электромагнитного привода в основном соответствует длине катушки или катушек. Блокировочные тела могут быть расположены с одной стороны или с двух сторон катушки. Если подвижная часть имеет, например, два блокировочных тела и одну катушку, то она фиксирована в двух конечных положениях. Влияние блокировочного тела на характеристику путь-сила привода является повышенным по сравнению с вариантом с одним блокировочным телом.

Согласно следующей предпочтительной форме дальнейшего развития изобретения магнитопровод содержит наряду с постоянным магнитом или постоянными магнитами ярмо из магнитомягкого материала, причем созданный каждым постоянным магнитом магнитный поток пронизывает ярмо. Применение ярма для прохождения магнитного потока позволяет снижать расходы, так как воздушный зазор не должен вводиться в большой и тем самым также дорогостоящий постоянный магнит. Более того, достаточным является применение меньшего постоянного магнита. Ярмо предпочтительным образом выполнено кольцевым или в виде рамы, причем, например, прямоугольной рамой образована магнитная цепь, которая прервана только воздушным зазором, прерывающим ход рамы. Для избежания вихревых токов ярмо составлено из пакета пластин. Магнитопровод и тем самым постоянный магнит или постоянные магниты являются неподвижными относительно подвижной части. Так как подвижная часть при создании приводного движения погружается в воздушный зазор, эта форма дальнейшего развития изобретения обозначается как привод, основанный на принципе подвижной катушки. Такой привод по сравнению с приводами по принципу линейного двигателя трехфазного тока обходится постоянным напряжением, которое может быть получено только из одной фазы сети трехфазного тока.

В предпочтительном примере выполнения каждое блокировочное тело прилегает в присвоенном ему конечном положении к ярму из магнитомягкого материала. Воздушный зазор между блокировочным телом и магнитопроводом в конечном положении тем самым избегается. Магнитный поток переходит от магнитопровода непосредственно в блокировочное тело, за счет чего магнитное сопротивление магнитной цепи минимировано. Подвижная часть таким образом особенно жестко заблокирована в конечном положении.

Предпочтительным образом для освобождения подвижной части из ее конечного положения предусмотрена пружина. Удерживающая сила в соответствующем конечном положении путем подходящего обтекания катушки может уменьшена или даже устранена. Пружина поддерживает, однако, освобождение подвижной части из конечного положения. В качестве пружин пригодными являются, например, пружины сжатия, которые опираются, с одной стороны, на неподвижную контропору, а также на обращенный от катушки конец блокировочного тела.

В отличающейся форме дальнейшего развития изобретения подвижная часть установлена на валу и является вращающейся, причем каждое блокировочное тело в конечном положении прилегает к упорам, связанным с магнитопроводом. В случае этого дальнейшего развития, соответствующего изобретению, электромагнитный привод не является линейным двигателем, а создает вращательное движение, которое выводится наружу через вал, то есть в форме вращательного движения. Согласно этому дальнейшему развитию магнитопровод может содержать электромагниты, которые создают бегущее магнитное поле.

Предпочтительно, однако, магнитопровод содержит ярмо с постоянным магнитом, причем созданный постоянным магнитом магнитный поток пронизывает выемку, выполненную в магнитопроводе, или, другими словами, воздушный зазор. Подвижная часть выполнена в основном согласованной с полым цилиндрическим воздушным зазором и установлена в нем с возможностью вращения посредством вала. Путем возбуждения проводника подвижной части создается вращательное движение. Проводник может быть выполнен, например, в виде обмотки, которая питается от одной фазы тока. Проводник может быть, однако, реализован также в виде нескольких обмоток, которые возбуждаются несколькими фазами тока так, что возникает бегущее поле. Конечные положения определяются с помощью позиционирования двух упоров, которые жестко связаны с магнитопроводом. В области конечного положения блокировочное тело, выполненное, например, в виде стержня, прилегает своими противоположными конечными областями к упорам так, что в конечном положении получается шунтирование упоров блокировочным телом. Магнитный поток теперь больше не вынужден пронизывать воздушный зазор, а попадает через блокировочное тело от одного упора к другому с преодолением меньшего магнитного сопротивления.

Целесообразным образом подвижная часть выполнена вращательно-симметричной и проводник выполнен в виде по крайней мере одной обмотки на подвижной части.

Дальнейшие целесообразные формы выполнения и преимущества изобретения являются предметом последующего описания примеров выполнения со ссылкой на чертежи, причем соответствующие детали снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Фигура 1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода в схематическом представлении,

Фигура 2 - дальнейший пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода в схематическом представлении,

Фигура 3 - дальнейший пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода в схематическом представлении,

Фигура 4 - дальнейший пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода в схематическом представлении,

Фигура 5 - дальнейший пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода в схематическом представлении.

Фигура 1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода 1 в схематическом представлении. Показанный электромагнитный привод содержит состоящий из ярма 2, а также постоянных магнитов 3 магнитопровод, в котором предусмотрен воздушный зазор 4. Магнитопровод 2, 3 и воздушный зазор 4 образуют магнитную цепь для созданного постоянными магнитами 3 магнитного потока, причем воздушный зазор 4 по сравнению с магнитопроводом 2, 3 представляет собой область с повышенным магнитным сопротивлением. В пронизываемый магнитным потоком или магнитным полем воздушный зазор 4 вдается подвижная часть 5, которая составлена из катушки 6 и блокировочного тела 7. Катушка 6 имеет непроводящий каркас катушки, например, из пластмассы, который обмотан соприкасающимися друг с другом и изолированными наружу проводниками. Вдающийся в воздушный зазор 4 участок катушки подвержен действию магнитного потока, созданного постоянным магнитом 3, так, что посредством возбуждения катушки током создается сила Лоренца, которая в зависимости от направления тока перемещает подвижную часть 5 в воздушный зазор 4 или из него. Таким образом создается возвратно-поступательное движение, которое является используемым в качестве приводного движения, например, для блока прерывания в мощном распределительном устройстве в области среднего напряжения.

Если подвижная часть 5 втягивается под действием силы Лоренца в воздушный зазор 4 и если двойное расстояние между блокировочным телом 7 и ярмом 2 меньше, чем диаметр воздушного зазора 4, то магнитное сопротивление магнитной цепи снижается. Воздушный зазор 4 шунтируется блокировочным телом 7. Если блокировочное тело 7 полностью прилегает к магнитомягкому ярму 2, то становится возможным замкнутый магнитный поток исключительно через материалы, которые имеют высокую магнитную проницаемость и тем самым низкое магнитное сопротивление. Это состояние является тем самым энергетически выгодным по сравнению с магнитной цепью с воздушным зазором. Перемещению подвижной части 5 в положение, в котором блокировочное тело 7 расположено на расстоянии от ярма 2, поэтому противодействует градиент силы. Блокировочное тело 7 заблокировано на ярме 2.

Для отрыва блокировочного тела 7 от ярма 2 предусмотрена только схематически представленная на Фигуре 1 пружина 8, которая выполнена, например, в виде винтовой пружины и, с одной стороны, опирается на ярмо 2, а с другой стороны, на катушку 6. Если блокировочное тело 7 прилегает к ярму 2, пружина 8 является предварительно натянутой. За счет питания катушки 6 током поле от постоянных магнитов, создающее удерживающую силу, ослабляется настолько, что пружина 8 ускоряет подвижную часть 5 из конечного положения. Пружина 8 может быть использована, кроме того, для создания постоянной силы прижатия для подвижной контакт-детали вакуумного коммутатора на ее неподвижной контакт-детали, причем подвижная контакт-деталь связана механически с подвижной частью 5 через целесообразную рычажно-штанговую систему, чтобы ввести движение подвижной части в подвижную контакт-деталь.

Фигура 2 показывает следующий пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода 1. В показанном примере выполнения состоящее из двух частей 2а и 2b ярмо 2 содержит два воздушных зазора 4, причем подвижная часть 5 проходит двумя катушками 6 соответственно в один из воздушных зазоров 4. Таким образом доля силы Лоренца по сравнению с силовым воздействием из уменьшения магнитного сопротивления является повышенной.

Фигура 3 показывает дальнейший пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода 1 в схематическом представлении. Как на Фигуре 1, в ярме 2 из магнитомягкого материала предусмотрен только один воздушный зазор 4. В противоположность к примеру выполнения, показанному на Фигуре 1, подвижная часть 5 имеет, однако, два блокировочных тела 7, которые расположены по обе стороны катушки 6. Движение подвижной части 5 поэтому ограничено с двух сторон так, что определены два конечных положения, в которых одно из блокировочных тел 7 прилегает к ярму 2 из магнитомягкого материала и подвижная часть 5 находится в положении блокировки. Для отрыва обоих блокировочных тел предусмотрены две пружины 8, которые расположены противоположно в направлении движения подвижной части 5 и соответственно опираются одним из своих концов на присвоенное им блокировочное тело 7, в то время как другой конец пружины опирается на контропору, жестко снабженную ярмом 2.

Фигура 4 показывает, как и Фигура 2, пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода, в котором ярмо 2 из магнитомягкого материала составлено из двух частей 2а и 2b и предусмотрены два воздушных зазора 4. Подвижная часть 5 имеет два участка катушки 6, которые соответственно заходят внутрь воздушного зазора 4. В противоположность Фигуре 2 подвижная часть согласно Фигуре 4 содержит три блокировочных тела 7. Подвижная часть 5 поэтому является повижной только между двумя конечными положениями, в которых соответственно к ярму 2 из магнитомягкого материала прилегают два блокировочных тела 7 так, что оба воздушных зазора 4 зашунтированы. Для отрыва блокировочных тел 7 опять-таки предусмотрены две пружины сжатия 8, лежат противоположно друг другу в направлении движения подвижной части 5 и соответственно опираются, с одной стороны, на блокировочное тело 7 и, с другой стороны, на неподвижную, не показанную на чертеже контропору.

На Фигуре 4 представлен далее схематически вакуумный выключатель 9, который составлен из электрически непроводящего полого цилиндрического керамического участка 10, а также металлических торцовых сторон 11 и 12. Торцовая сторона 11 пронизана неподвижной контакт-деталью 13, противоположно которой расположена аксиально подвижно направляемая контакт-деталь 14. Подвижная контакт-деталь 14 удерживается проводящей оперативной штангой 15, которая проходит через металлический сильфон 16, которым предоставляется аксиальная свобода движения подвижной контакт-детали. Между керамическим участком 10, торцовыми стенками 11 и 12, а также металлическим сильфоном 16 выполнена вакуумная камера 17, в которой создан вакуум. Для подключения тока служат только схематически представленные клеммы 18. Движение привода через рычаг 19, а также изготовленную из непроводящего материала передаточную штангу 20 вводится в вакуумный выключатель, причем рычаг 19 через схематически представленные передаточные средства 21 связан с приводом 1. Для создания необходимой силы прижатия для контактов предусмотрена нажимная контактная пружина, которая расположена, например, в передаточной штанге 20.

Фигура 4 показывает вакуумный выключатель 9 в промежуточном положении. В противоположность этому в непоказанном контактном положении подвижная контакт-деталь 14 контактирует с неподвижной контакт-деталью 13 так, что становится возможным прохождение тока. При этом нижнее блокировочное тело 7, а также среднее блокировочное тело 7 прилегает к ярму 2 так, что контактное положение вакуумного выключателя 9 является фиксированным. Подъем подвижной контакт-детали 14 от неподвижной контакт-детали 13 вследствие установочных сил тем самым препятствуется. В положении разделения верхнее блокировочное тело 7 и среднее блокировочное тело 7 прилегают к ярму 2, последнее, однако, на нижнем участке рамы.

В показанных на Фигуре 3 и 4 примерах выполнения влияние блокировочных тел 7 и тем самым доля реактивной силы по сравнению с силой Лоренца является повышенной.

Фигура 5 показывает следующий пример выполнения соответствующего изобретению электромагнитного привода 1. Показанный там электромагнитный привод 1 содержит магнитопровод, состоящий из ярма 2 из магнитомягкого материала, а также двух постоянных магнитов 3, причем магнитопровод выполнен в основном в виде рамы и содержит два указывающих друг к другу усеченных клиновидных выступа 22. Выступы 22 ограничивают воздушный зазор 4. Подвижная часть 5 посредством не показанного на Фигуре 5 вала расположена с возможностью вращения в воздушном зазоре 4 и снабжена выполненным в виде обмотки проводником или, другими словами, катушкой 6, которая может возбуждаться здесь только одной фазой трехфазного тока.

На подвижной части 5 предусмотрены далее два также выполненных усеченной клиновидной формы блокировочных тела 7, которые на противоположных друг другу сторонах подвижной части 5 жестко соединены с ней.

Созданный постоянными магнитами 3 магнитный поток выбирает путь наименьшего магнитного сопротивления и пронизывает выступы 22 и тем самым подвижную часть 5, а также катушку 6. За счет возбуждения катушки 6 вследствие силы Лоренца это приводит к вращательному движению подвижной части 5 и таким образом к созданию приводной силы для вакуумного коммутатора электрического распределительного устройства. В контактном положении коммутационных контактов вакуумного коммутатора противоположные друг другу блокировочные тела 7 прилегают к выступам 22 так, что магнитный поток пронизывает выступы 22, блокировочные тела 7, а также подвижную часть 5. При этом блокировочные тела 7 выполнены из ферромагнитного материала так, что магнитное сопротивление вследствие шунтирования воздушного зазора 4 уменьшается. Конечные положения электромагнитного привода 1 поэтому блокированы реактивной силой.