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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Vorrichtung, insbesondere
zur Verwendung im Betätigungs- oder Antriebsabschnitt eines Schaltunterbrechers.
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Elektromagnetische Vorrichtungen (im folgenden als elektromag netischer
Antrieb bezeichnet) dienen allgemein als Betätigungs mechanismus fär Schaltunterbrecher.
Der elektrische Antrieb wird im Falle eines Kurzschlusses oder eines ähnlichen Fehlers
betätigt, um den Unterbrecher-Betätigungsmechanismus derart anzutreiben, daß die
geschlossenen Kontakte geöffnet und dadurch die Schaltung aufgetrennt wird. Je kürzer
die fär die Kontaktöffnung benötigte Zeit ist, umso höher ist die Zuverlässigkeit,
um eine unerwuxischte Erweiterung des Bereichs zu verhindern, in dem sich die Störung
nachteilig bemerkbar macht. Elektromagnetische Antriebe sollen daher eine starke
Anziehungskraft entwickeln, um die zum Öffnen der Kontakte des Schaltungsunterbre
chers notwendige Zeit zu verkuerzen.
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Ein elektromagnetischer Antrieb der vorstehend beschriebenen Art enthält
einen festen Eisenkern, beispielsweise aus geblechtem Siliziumstahl, und einen Anker,
die einander gegenEberliegend angeordnet sind und einen Spalt zwischen sich bilden,
sowie eine Spule. Die Spule umschließt den feststehenden Kern so, daß nach Erregung
der Spule der Anker zum festen Kern hin durch die Anziehungskraft angezogen werden
kann, die durch den durch Anker und festen Kern fließenden Magnetfluß erzeugt wird.
Die Anziehungskraft kann daher erhöht werden, indem die Spaltbreite zwischen dem
festen Kern und dem Anker verringert wird. Dabei müssen jedoch Anker und Kern mit
engen Toleranzen hergestellt werden, was auf große technische Schwierigkeiten stößt.
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Bei einem bekannten elektromagnetischen Antrieb dieser Art ist die
Spule auf dem festen Kern an einer vom Spaltbereich, wo der Anker zum festen Kern
angezogen wird, verhältnismäßig weit entfernten Stelle befestigt. In dieser Stellung
der Magnetspule streut der vom Spulenstrom erzeugte Magnetfluß und der Streufluß
tritt nicht durch den Spaltbereich hindurch. Bei dieser Anordnung der Magnetspule
nimmt somit der zur Erzeugung der Anziehungskraft nutzbare Magnetfluß ab, so daß
die den Anker an den festen Kern anziehende Kraft vermindert wird.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils ist in der JA-GBMS 11 570/58 ein elektromagnetischer
Antrieb vorgeschlagen, bei dem die Magnetspule den Spalt zwischen Anker und festem
Kern umachlie¢t.Dieser elektromagnetische Antrieb ist insofern zufriedenstellend,
als der Anteil des Streuflusses auf ein Minimum abgesenkt wird.
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Bei dem vorgeschlagenen elektromagnetischen Antrieb müssen, um die
Anziehungskraft zu erhöhen, die Flächen der sich ueber den Spalt einander gegenüberstehenden
Teile des festen Kerns und des Ankers und/oder die GröBe oder Windungszahl der Magnetspule
vergrößer werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel und Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll ein elektromagnetischer
Antrieb der beschriebenen Art geschaffen werden, mit dem eine größere Anziehungskraft
zwischen Anker und festem Kern erzielt und die Betätigungsdauer zum Anziehen des
Ankers an den festen Kern verkürzt wird. Der erfindungsgemäße elektromagnetische
Antrieb enthält einen im wesentlichen C-förmigen festen Kern mit einem ersten und
einem zweiten Schenkel, einen gegenüber dem festen Kern beweglich gelagerten Anker
und eine auf dem festen Kern angeordnete Magnetspule, die bei Erregung den Anker
zu wenigstens einem Schenkel des festen Kerns antriebt. Dabei weist wenigstens einer
der beiden Schenkel des festen Kerns eine Zone auf, die eine Zone am zugehörigen
Teil des Ankers über einen Spalt hinweg überlappt. Die Magnetspule ist sq,angeordnet,
daß sie diese einander überlappenden Zonen umschließt.
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Da die einander überlappenden Zonen der einander zugeordneten Teile
des festen Kerns und des demgegenüber einen Spalt bildenden Ankers so in der Magnetspule
angeordnet sind, fließt der gesamte, von der Magnetspule erzeugte Magnetfluß durch
die einander überlappenden Zonen des festen Kerns und des Ankers, so daß der Magnetfluß
vollständig ausgenutzt wird und praktisch keine Streuverluste eintreten. Ferner
ist der erfindungsgemäß aufgebaute magnetische Antrieb insofern vorteilhaft, als
der Spalt durch die überlappende Anordnung und die Magnetspule verschlossen ist,
wodurch das unerwünschte Eindringen von Staub in den Spalt zwischen festem Kern
und Anker verhindert wird.
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Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausftihrungsbeispiele wird
die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Vorderansicht
einer ersten AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebs,
Fig. 2 im Diagramm den Verlauf des Erregerstroms bei einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Antrieb verglichen mit dem bekannten, Fig. 3 das Schaltbild einer Erregerschaltung
zur Erzeugung eines Erregerstrome mit dem im Diagramm der Fig. 2 gezeigten Verlauf,
Fig. 4, schematische Vorderansichten der wesentlichen Teile 5 u. 6 dreier weiterer
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebs.
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Der in Fig. 1 gezeigte elektromagnetische Antrieb 1 enthält einen
im wesentlichen C-förmigen feststehenden oder ortsfesten Kern 10 mit einem ersten
und zweiten Schenkel 12 bzw, 13, die eine Öffnung 11 begrenzen. Mit dem ortsfesten
Kern 10 ist ein Anker 14 derart verbunden, daß sich sein eines Ende 15 liter einen
Spalt gegentiber dem zweiten Schenkel 13 des ortsfesten Kerns 10 befindet, während
das andere Ende 16 des Ankers 14
den erstenSchenkel 12 des ortsfesten
Kerns 10 über einen Spalt 17 teilweise überlappt. Der Anker 14 ist um eine zentrale
Achse 18 derart schwenkbar, daß seine Enden 16 und 15 gegen den ersten und zweiten
Schenkel 12 bzw. 1S des ortsfesten Kerns 10 gedrückt oder von diesem weg bewegt
werden können.
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Die den Anker 14 schwenkbar tragende Achse 18 verläuft zwischen zwei
Haltern 19, die an den Seitenflächen des ersten und zweiten Schenkels 12 bzw. 13
des ortsfesten Kerns 10 befestigt sind und die Öffnung 11 des ortsfesten Kerns 10
umgeben.
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In Fig. 1 sind nur die vorderen Halter gezeigt; die anderen Halter
mit gleicher Form und Größe befinden sich hinter den gezeigten.
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Die Halter 19 sind an den Seitenflächen des zweiten Schenkels 13 des
ortsfesten Kerns 10 mittels Schrauben 20 und am ersten Schenkel 12 des ortsfesten
Kerns 10 mittels Befestigungseinrichtungen 21, beispielsweise mittels Schraube und
Mutter befestigt. Die Achse 18 ist zwischen den Haltern 19 starr befestigt.
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Die Halter 19 bestehen beispielsweise aus nichtmagnetischem nichtrostendem
Stahl.
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An den Haltern 19 ist eine zylindrische Magnetspule 22 befestigt,
23 die die überlappenden Zonen der zugehörigen Teile 16 des ersten Schenkels 12
des ortsfesten Kerns lo und des zweiten Endes 16 des Ankers 14 umschließt, die unter
Einschließung des Spaltes 17 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Magnetspule
22 wird derart befestigt, daß zunächst die Halter 19 mit ihren jeweiligen Enden
am zweiten Schenkel 13 des ortsfesten Kerns 10 mit Hilfe der Schrauben 20 und dann
die Spule 22 an den Haltern 19 von deren anderen Enden befestigt werden. Darauf
wird der erste Schenkel 12 des ortsfesten Kerns 10 zwischen die anderen Enden der
Halter 19 eingesetzt. Die anderen Enden der Halter 19 werden am ersten
Schenkel
12 des ortsfesten Kerns 10 mit Hilfe der Befestigungseinrichtungen 21 befestigt,
während erster und zweiter Schenkel 12 bzw. 13 des ortsfesten Kerns 10 mittels einer
Befestigungsein richtung, beispielsweise einer Schraube 24 einteilig verbunden werden.
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Im Betrieb wird der Magnetspule 22 des elektromagnetischen Antriebs
1 ein Erregerstrom zugeführt. Der durch diesen erzeugte Magnetfluß fließt durch
den ortsfesten Kern 10 und erzeugt eine Anziehungskraft, die den Anker 14 in Richtung
zum ortsfesten Kern 10 im Gegenuhrzeigersinn schwenken läßt. Es tritt praktisch
der gesamte, von der Magnetspule 22 erzeugte Magnetfluß durch die einander überlappenden
Zonen 23 des ortsfesten Kerns 10 und des Ankers 14 phne Streuverluste hindurch.
Da die einander Eberlappenden Zonen 23 wegen der überlappenden Anordnung des ersten
Schenkels 12 des ortsfesten Kerns 10 und des zugehörigen Endes 16 des Ankers 14
eine große Fläche für den Magnetfluß an dieser Stelle bilden, ist der durch die
Zonen 23 hindurchtretende Magnetfluß groß genug, um die auf den Anker 14 zum ortsfesten
Kern 10 gerichtete Anzugskraft zu erhöhen.
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Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Prufschaltung zum Nachweis der Vorteile
des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebs 1 gegenüber dem bekannten Antrieb
dieser Art. Die Schaltung der Fig. 3 enthält eine Spannungsquelle E, einen Ein-Aus-Schalter
S1, einen Hilfsschalter S2, der mit dem Schaltunterbrecher gegenläufig arbeitet
bzw. verriegelt ist, eine Magnetspule L, einen Kondensator C und einen Strombegrenzunge-
und Entladewiderstand R. Der Hilfsschalter S2 befindet sich in seiner geschlossenen
Stellung, wenn der Schaltunterbrecher eingeschaltet ist. Beim Schließen des Schalters
S1 auf einen Unterbrecher-Auslösebefehl wird gemäß Fig. 2 der Spule lt ein Strom
i zugeführt. In Fig. 2 ist auf der Abszisse die seit der Erregung der Spule L am
Ursprung 0 vergangene Zeit aufgetragen. Durch die Erregung der Spule L
erzeugt
der elektromagnetische Antrieb einen Magnetfluß, so daß eine Anzugskraft entsteht
und ein geeigneter Betätigungsmechanismus (nicht gezeigt) für den Schaltunterbrecher
betätigt wird, wodurch der Schaltungsunterbrecher ausschaltet. Darauf wird der Hilfsschalter
S2 geöffnet und der Erregerstrom i abgeschaltet.
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Die gestrichelte Kennlinie A in Fig. 2 zeigt den Verlauf des Erregerstroms
i bei einem bekannten elektromagnetischen Antrieb, bei dem die Magnetspule 22 auf
dem zweiten Schenkel 17 des ortsfesten Kerns 10 statt in der in Fig. 1 gezeigten
Stellung befestigt ist. Die ausgezogene Kennlinie B zeigt den Verlauf des Erregerstroms
i bei dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antrieb der Fig. 1. Diese elektromagnetischen
Antriebe sind mit Ausnahme der unterschiedlichen Anordnung der Magnetspulen vollständig
gleich ausgebildet.
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In Fig. 2 sind auf der Abszisse und Ordinate die relativen Werte von
Zeit und Strom aufgetragen. Gemäß Fig. 2 ist die zum Starten der Bewegung des Ankers
14 erforderliche Zeit gegenüber der Kennlinie A um e t kürzer.Nimmt man an, daß
die zum Start der Bewegung des Ankers 14 erforderliche Zeit für die Kennlinie A
gleich 10 sei. dann ist die nach der Kennlinie B erforderliche Zeit nur etwa gleich
7, d. h., daß die Zeitdauer um etwa 3, also 30 % verringert werden kann. Ferner
ist, weil die Induktivität der Magnetspule 22 infolge der Bewegung des Ankers 14
zum ortsfesten Kern 10 und die damit verbundene Verengung des Spaltes 17 zwischen
diesen erhöht wird, der Maximalwert des Erregerstroms i fär die Kurve B um di kleiner
als für die Kurve A. Nimmt man an, daß dieser Maximalwert für die Kurve A gleich
10 ist, so ergibt sich fUr die Kurve B der Wert 6, d. h., der Wert kann um etwa
4, nämlich 40 % verringert werden.
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Weil ferner die Magnetspule 22 und die einander Uberlappenden Zonen
23 in Fig. 1 den Spalt 17 zwischen dem ersten Schenkel 12 des ortsfesten Kerns 10
und dem zugehörigen Ende 16 des Ankers
14 doppelt umschließen,
kann der Eintritt von Staub in den Spalt 17 sicher verhindert werden. Die Magnetspule
22 kann mit ihrem rechten Ende näher am Schenkel 12 des ortsfesten Kerns 10 angeordnet
werden, so daß der Eintritt von Staub in den Spalt 17 noch wirkungsvoller verhindert
wird.
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Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausfuhrungsformen des erfindungsgemäßen
elektromagnetischen Antriebs.
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Bei dem in Fig. 4 gezeigten elektromagnetischen Antrieb sind die Enden
15 und 16 des Ankers 14 und die zugehörigen Teile des zweiten und ersten Schenkels
13 bzw. 12 des ortsfesten Kerns 10 mit einander über den Spalt 17 überlappenden
Zonen 23 versehen; diese werden von zwei unabhängigen Magnetspulen 30 und 31 umschlossen.
Bei dieser Ausführungsform verhindern die Magnetspulen 30 und 31 zusammen mit den
zugehörigen überlappenden Zonen 23 den Eintritt von Staub in den Spalt 17. Der elektromagnetische
Antrieb der Fig. 4 hat ähnliche Eigenschaften wie der der Fig. 1.
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Bei dem in Fig, 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen
Antriebs umschließt eine einzige Magnetspule 33 die einander überlappenden Zonen
23 der Enden des Ankers 14 und des zweiten und ersten Schenkels 13 bzw. 12 des ortsfesten
Kerns 10, zwischen denen sich der Spalt 17 befindet. Die Magnetspule 33 wird durc14die
Halter 19 aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise nichtrostendem Stahl gehalten,
die an den Schenkeln 12 und 13 des ortsfesten Kerns 10 befestigt sind. Bei dem in
Fig. 6 gezeigten vierten AusfUhrungsbeispiel des elektromagnetischen Antriebs 1
haben das Ende 15 des Ankers 14 und der zweite Schenkel 13 des ortsfesten Kerns
10, zwischen denen sich der Spalt 17 befindet, einander überlappende Zonen 23, die
von einer Magnetspule 30 umschlossen sind. Zwischen dem ersten Schenkel 12 des ortsfesten
Kerns 10 und dem zugehörigen Ende 16 des Ankers 14 befindet sich ein sehr enger
Spalt 35. Dieser kann während der Bewegung des Ankers 14 praktisch konstant gehalten
werden. Da
er sehr schmal ist, kann bei gleicher Amperewindungszahl
der Magnetspule 30 ein hohes Drehmoment erzeugt werden.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb arbeitet bei geringen
Erregerströmen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten.
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Dabei kann er mit geringeren Abmessungen als der bekannte elektromagnetische
Antrieb gebaut werden. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen
Antriebs in Schaltunterbrechern und dergleichen, z. B. auch Relais, lassen sich
daher die Kontakttrennzeiten wesentlich verkürzen.