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Elektromechanisches Antriebssystem und Verwendung desselben Es ist bereits vorgeschlagen worden, elektrodynamische Antriebe zu bauen, bei denen im Luftspalt eines Magnetkreises ein stromdurchflossenes bewegliches Leitersystem angeordnet ist. Um einigermassen grosse Kräfte zu erreichen, müssen jedoch die stromdurchflossenen Leiter verhältnismässig lang sein. Dies hat zur Folge, dass insbesondere bei gro- ssem Strom eine erhebliche Biegungsbeanspruchung der Leiter auftreten kann.
Es ist ferner bekannt, dass mit Magnetsystemen, deren Ankerlänge gross ist gegenüber der mittleren Ankerbreite, sehr hohe Beschleunigungen erzielbar sind. Der Bau derartiger Magnetsysteme ist bisher aber daran gescheitert, dass die langen dünnen Anker den magnetischen Kräften nicht gewachsen waren, so dass Deformationen aufgetreten sind. Auch die Parallelführung der Anker ohne unzulässige Vergrösserung der bewegten Massen bereitet erhebliche Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Antriebssystem mit einem festen Magnetsystem, in dessen Luftspalt sich ein Anker unter dem Einfluss der Luftspaltinduktion bewegt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige Anker ein translatorisch beweglicher Teil eines Parallel- Gelenkvierecks ist, das zwei in festen Drehpunkten gelagerte Lenker und mindestens eine parallel zu den Lenkern bewegliche Versteifungsstrebe aufweist. Durch die Erfindung wird die Biegungsbeanspru- chung eines langgestreckten Ankers weitgehend herabgesetzt;
gleichzeitig wird durch die fest gelagerten Lenker auf einfache Weise eine Führung des Ankers mit kleiner Masse und geringer Reibung erreicht.
In den Fig. 1 bis 4 sind vier beispielsweise Ausführungsformen von elektromechanischen Antriebssystemen nach der Erfindung dargestellt, . wobei Fig. 1 schematisch das Wesen der Erfindung zeigt; die Fig. 2 und 4 befassen sich mit elektrodynamischen Antrieben, während Fig. 3 einen elektromagnetischen Antrieb darstellt.
In den Fig. 1 und 1a bedeuten 1, 2 die Polschuhe eines Magnetkreises mit dem Luftspalt 3, der primär durch einen Strom 1 erregt ist. Den Leitern 4 und 5 - im folgenden als Anker bezeichnet - wird ein Sekundärstrom i über die flexiblen Leitungen 6 und 7 zugeführt, die in Verbindung mit der gestrichelt angedeuteten Zusatzwicklung 8 stehen. Die oberen Enden der Anker 4 und 5 sind durch die flexible Leitung 9 miteinander verbunden. 10 und 11 sind Lenker, die in den festen Drehpunkten 12 und 13 gelagert sind. Die Versteifungsstrebe ist mit 14 bezeichnet.
Das Gelenkviereck wird somit durch die Anker 4, 5, die Lenker 10, 11 und die Versteifungsstrebe 14 gebildet. Weisen die Induktion B im Luftspalt 3 und der Strom i im Anker 4, 5 die in den Fig. 1 und 1 a eingetragenen Richtungen auf, so wirken auf die Anker 4, 5 die Kräfte F1 und F2 ein. Handelt es sich beim Strom 1 um einen sinusförmigen Wechselstrom, so gelten die eingetragenen Stromrichtungen für fallenden Strom 1, da voraussetzungsgemäss der Sekundärkreis, gebildet durch die Zusatzwicklung 8 und das Leitersystem 4, 9, 5, annähernd einen Ohmschen Stromkreis darstellt.
Bei ausgeführten Antriebssystemen war beispielsweise die Zeitkonstante LC2 G 10-3s, was bedeutet, dass bei 50 Hz der Ohmsche Abfall mindestens dreimal grösser ist als der induktive. Bei Schaltvorgängen, insbesondere wie sie bei Umschlagstörungen auftreten, stellt sich daher der Sekundärstrom i schon nach etwa 2 ms annähernd auf den stationären Wert ein. Beginnt nun der Primärstrom 1 wieder zu steigen, so ändert sich das Vorzeichen
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der Induktion B, während die Richtung des Stromes i unverändert bleibt.
Dies hat zur Folge, dass die Kräfte F1 und F,# ebenfalls ihre Richtung ändern, wodurch die Anker 4 und 5 in der entgegengesetzten Richtung bewegt werden, bis sie aufeinander treffen. In diesem Zustand ist dann die Induktivität des Gelenkvierecks sehr klein. Zur Anpassung der Kraftfunktion kann es zweckmässig sein, den Luftspalt nicht planparallel, sondern doppelkeilförmig, wie dies in Fig. la angedeutet ist, oder auch nach einem anderen Gesetz gekrümmt auszuführen. Im vorliegenden Fall ist beispielsweise die Kraft zu Beginn der Bewegung grösser, da die Induktion an der engsten Stelle des Luftspaltes höhere Werte aufweist.
Eine beispielsweise konstruktive Ausführung eines elektrodynamischen Antriebes zeigen die Fig. 2 und 2a, wobei die Zusatzwicklung z. B. in gleicher Weise wie in Fig. 1 angeordnet werden kann. Darin bedeuten 21 und 22 wieder die Polschuhe des magnetischen Kreises mit dem Luftspalt 23. Die beiden stromdurchflossenen Anker 24 und 25 sind U-förmig ausgeführt. Die Stromzuführung zu den beiden Ankern erfolgt über die Litzen 26 und 27; die obere litzenförmige Verbindung ist mit 28 bezeichnet. Die Lenker 29 und 30 drehen sich um die festen Achsen 31 und 32; sie werden von dem am Magnetsystem befestigten Lagerbügel 33 gehalten.
Durch die Versteifungsstreben 34 und 35 wird bewirkt, dass praktisch keine Deformation der Anker 24 und 25 auftritt.
Da die Stromrichtungen in den Ankern 24 und 25 entgegengesetzt sind, bewegt sich das System je nach Richtung der Luftspaltinduktion entweder in die gezeichnete geöffnete Stellung oder in die geschlossene Stellung, in der die Anker nur noch eine kleine Fläche umschliessen. Den Lenker 29 sowie die Versteifungsstreben 34 und 35 wird man im allgemeinen aus Isoliermaterial herstellen. Es ist aber auch möglich, hierfür beispielsweise unmagnetisches Eisen mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 1. 10-4 9 cm zu verwenden. Der Lenker 30 kann aus beliebigem Material, insbesondere auch aus gut leitendem Metall, hergestellt werden, da er elektrisch durch die Litze 28 überbrückt ist.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 entspricht im übrigen derjenigen nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung in Form eines magnetischen Antriebssystems. Der magnetische Kreis 41 wird vom Hauptstrom 1 erregt. In den Luftspalten 42 bewegen sich prismenförmige Magnetanker 43 und 44, die über die Lenker 45 und 46 miteinander verbunden sind. Zur weiteren Versteifung ist die Versteifungsstrebe 47 vorgesehen. Auch bei dieser Anordnung sind die Lenker 45 und 46 in den festen Drehpunkten 48 und 49 gelagert. Zwischen den Ankern 43 und 44 sind Federn 50 und 51 angeordnet.
Bei Erregung des Magnetsystems 41 werden die Magnetanker 43 und 44 in die Luftspalte 42 hineingezogen und dadurch die Federn 50 und 51 gespannt. Wird die Erregung durch den Strom 1 entweder verringert oder ganz unterbrochen, so gehen die Anker 43 und 44 unter dem Einfluss der Federn 50 und 51 wieder in die gezeichnete Lage zurück.
Nimmt man an, dass die axiale Länge der Magnetanker 10 cm beträgt, während ihre wirksame Breite einen Wert von 0,5 cm aufweist, so ergibt sich bei einer Luftspaltinduktion von 18000 Gauss eine durch die beiden Anker 43 und 44 erzeugte Gesamtkraft von: F #:-- = 4 - 2 (0,5 - 10) - @2 - 180002 - 10-$ .; 180 kp. Die Masse des Systems beträgt dabei nur etwa 25 g, so dass sich eine Beschleunigung ergibt, die etwa der 7000fachen Erdbeschleunigung entspricht. Man erkennt hieraus, wie ausserordentlich wichtig es ist, eine exakte Parallelführung und eine ausreichende Versteifung durch Versteifungsstreben vorzusehen.
In Fig. 4 ist noch ein elektrodynamischer Antrieb, ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten, aufgezeichnet, der zum unmittelbaren Antrieb eines Schalters dient. Es bedeuten 61 und 62 wieder die Polschuhe des Magnetsystems 60 mit dem Luftspalt 63. Der einteilige Anker 64 (s. Fig.4b) ist über die flexible Verbindung 65 mit dem zweiteiligen Anker 66 verbunden. 67 und 68 sind die Lenker, 69 die Versteifungsstrebe, 70 der Lagerbock, der die feststehenden Achsen 71 und 72 trägt. Am Lenker 68 ist ein zusätzlicher Arm 73 vorgesehen, über den der bewegliche Kontakt 74 unmittelbar bewegt wird (s. Fig.4), 75 ist der düsenartige feststehende Kontakt des Schalters.
Mit 76 sind zwei der sechs Finger des Gleitkontaktes angedeutet, über die der Strom I dem beweglichen Kontakt 74 zugeführt wird. Zum besseren Verständnis ist das Ankersystem (Gelenkviereck) 64, 68, 66 in Fig. 4b nochmals getrennt dargestellt. Die Aussparungen im Anker 64 sind notwendig, damit in der gezeichneten Einschaltstellung (Fig. 4) die durch die beiden Anker gebildete Schleife praktisch gleich Null wird. Wie insbesondere aus Fig. 4b hervorgeht, entspricht die Schaltung des Ankersystems mit Zusatzwicklung der an Hand von Fig. 1 bereits erläuterten Anordnung.
Bei fallendem Primärstrom 1 geht das Ankersystem aus der in Fig. 4 gezeichneten geschlossenen Stellung in die in Fig. 4b dargestellte offene Stellung über. Hierbei dreht sich der Hebelarm 73 im Gegenzeigersinn, wodurch der bewegliche Kontakt 74 nach unten bewegt wird. Durch passende Bemessung kann erreicht werden, dass die Kontakttrennung erst kurz vor dem Stromnulldurchgang einsetzt und im Stromnulldurchgang selbst die erforderliche Löschdistanz erreicht ist. Sollte jedoch die Löschung aus irgendwelchen Gründen nicht zustande kommen, so dreht sich, wie an Hand von Fig. 1 bereits erläutert wurde, die Richtung der Luftspaltinduktion B um.
Dies bewirkt, dass die Kräfte auf die beiden Anker nun nach innen wirken und der Schalter sofort wieder
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in die in Fig. 4 gezeichnete geschlossene Stellung übergeht. Fängt der Strom 1 wieder an zu fallen, so wiederholt sich der Ausschaltvorgang. Tritt hingegen beispielsweise bei einer Handausschaltung eine Umschlagstörung auf, so steigt der Strom 1 steil an. Infolge der sehr kleinen Zeitkonstante des Sekundärkreises entsteht sofort auch ein Sekundärstrom i in solcher Richtung, dass der Schalter wieder geschlossen wird.
Es muss selbstverständlich durch konstruktive Massnahmen dafür gesorgt werden, dass durch die Handausschaltung die elektrodynamische Wiedereinschaltung nicht behindert wird, was beispielsweise durch eine elastische Kupplung oder auch eine magnetisch gesteuerte Klinke bewirkt werden kann.
Wie aus den Fig. 2 bis 4 hervorgeht, ist der Aufbau der elektromagnetischen Antriebe nach der Erfindung sehr einfach und insbesondere bei Anbringen von Versteifungslenkern auch ausserordentlich steif, so dass Deformationen selbst bei Kräften von 100 kp und mehr praktisch nicht auftreten. Versuche haben gezeigt, dass es mit derartigen Systemen möglich ist, Hochleistungsschalter mit einem Nennstrom von 1250 A in einigen Millisekunden zu öffnen und zu schliessen, wobei die Energie dem zu unterbrechenden Stromkreis entnommen wird.