EP4439617B1 - Magnetischer aktuator für elektrische niederspannungssysteme - Google Patents

Magnetischer aktuator für elektrische niederspannungssysteme

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EP4439617B1
EP4439617B1 EP23165649.7A EP23165649A EP4439617B1 EP 4439617 B1 EP4439617 B1 EP 4439617B1 EP 23165649 A EP23165649 A EP 23165649A EP 4439617 B1 EP4439617 B1 EP 4439617B1
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EP
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magnetic armature
fixed
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Wojciech Piasecki
Arda Tueysuez
Frank Jürgen Kassubek
Marcin Bialas
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ABB Schweiz AG
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Claims (15)

  1. Magnetischer Aktuator (1) für elektrische Niederspannungssysteme, wobei der magnetische Aktuator einen Magnetkreis (10) umfasst, der Folgendes beinhaltet:
    - einen festen Magnetanker (2) und einen bewegbaren Magnetanker (3), wobei der bewegbare Magnetanker reversibel zwischen einer ersten Position (C) und einer zweiten Position (O) relativ zu dem festen Magnetanker bewegbar ist;
    - einen Permanentmagneten (4), der dazu ausgelegt ist, die festen und bewegbaren Magnetanker (2, 3) mit einem ersten magnetischen Fluss (Φ1) mit einer vordefinierten Richtung zu speisen, wenn sich der Permanentmagnet in einem magnetisierten Zustand befindet;
    wobei der magnetische Aktuator ferner eine Erregerspule (5) umfasst, die auf den Magnetkreis (10) gewickelt ist und dazu ausgelegt ist, mit einem elektrischen Strom (IC) mit einer vorbestimmten Richtung gespeist zu werden, wenn ein Auslösemanöver des magnetischen Aktuators erforderlich ist,
    wobei der Magnetkreis (10) Folgendes beinhaltet:
    - einen ersten Zweig (10a), der einen ersten Abschnitt (21) des festen Magnetankers, einen ersten Abschnitt (31) des bewegbaren Magnetankers, den Permanentmagneten (4) und einen ersten Luftspaltbereich (G1) zwischen dem festen Magnetanker (2) und dem bewegbaren Magnetanker (3) beinhaltet;
    - einen zweiten Zweig (10b), der einen zweiten Abschnitt (22) des festen Magnetankers, einen zweiten Abschnitt (32) des bewegbaren Magnetankers und einen zweiten Luftspaltbereich (G2) zwischen dem festen Magnetanker (2) und dem bewegbaren Magnetanker (3) beinhaltet;
    - einen dritten Zweig (10c), der einen magnetischen Nebenflussbereich (G3) zwischen dem festen Magnetanker (2) und dem bewegbaren Magnetanker (3) beinhaltet;
    wobei der Magnetkreis (10) eine erste Magnetschleife (L1), die durch den ersten und den dritten Zweig (10a, 10c) gebildet ist, und eine zweite Magnetschleife (L2), die durch den zweiten und den dritten Zweig (10b, 10c) gebildet ist, umfasst,
    wobei erste und zweite Luftspaltbereiche (G1, G2) in unterschiedlichen Abständen relativ zu dem magnetischen Nebenflussbereich (G3) entlang der ersten und zweiten Magnetschleife angeordnet sind oder unterschiedliche Form oder Bereiche aufweisen, wobei die Erregerspule (5) dazu ausgelegt ist, den Magnetkreis (10) mit einem zweiten Magnetfluss (Φ2) zu speisen, der eine entgegengesetzte Richtung im Vergleich zu dem ersten Magnetfluss (Φ1) entlang des zweiten Zweiges (10b) aufweist und eine gleiche Richtung im Vergleich zu dem ersten Magnetfluss (Φ1) entlang des dritten Zweiges (10c) aufweist, wenn die Erregerspule mit einem elektrischen Strom gespeist wird;
    wobei der bewegbare Magnetanker (3) einer ersten Magnetkraft (F1, T1), die so gerichtet ist, dass sie den bewegbaren Magnetanker (3) von der ersten Position (C) weg bewegt, und einer zweiten Magnetkraft (F2, T2), die so gerichtet ist, dass sie den bewegbaren Magnetanker (3) in Richtung der ersten Position (C) bewegt, ausgesetzt ist, wobei die erste und die zweite Magnetkraft (F1, T1, F2, T2) von der Position (p) des bewegbaren Magnetankers (3) relativ zu dem festen Magnetanker (2) abhängig sind, wobei:
    - die erste Magnetkraft (F1, T1) zunimmt und die zweite Magnetkraft (F2, T2) abnimmt, wenn sich der bewegbare Magnetanker (3) von der ersten Position (C) in die zweite Position (O) bewegt,
    - die Änderungsrate der zweiten Magnetkraft (F2, T2) höher ist als die Änderungsrate der ersten Magnetkraft (F1, T1) als Reaktion auf eine Bewegung des bewegbaren Magnetankers, wenn der bewegbare Magnetanker die Bewegung von der ersten Position weg stoppt;
    wobei, wenn sich der bewegbare Magnetanker (3) in der ersten Position (C) befindet und die Erregerspule (5) nicht mit elektrischem Strom gespeist wird, die erste Magnetkraft (F1, T1) niedriger als die zweite Magnetkraft (F2, T2) ist, so dass der bewegbare Magnetanker in der ersten Position (C) gehalten wird;
    wobei, wenn sich der bewegbare Magnetanker (3) in der ersten Position (C) befindet und die Erregerspule (5) mit einem elektrischen Strom (IC) gespeist wird, der höher als ein Schwellenstrom (ITH) ist, die zweite magnetische Kraft (F2, T2) aufgrund der Zirkulation des zweiten magnetischen Flusses (Φ2) abnimmt und niedriger als die erste magnetische Kraft (F1, T1) wird, so dass der bewegbare Magnetanker von der ersten Position (C) weg zu der zweiten Position (O) bewegt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass, wenn sich der bewegbare Magnetanker (3) geringfügig von der ersten Position (C) weg bewegt hat, die zweite Magnetkraft (F2, T2) geringer bleibt als die erste Magnetkraft (F1, T1), selbst wenn die Erregerspule (5) nicht mehr mit einem elektrischen Strom (IC) gespeist wird, so dass der bewegbare Magnetanker weiter von der ersten Position (C) weg bewegt wird, bis die zweite Position (O) erreicht wird,
    wobei, wenn sich der bewegbare Magnetanker (3) in der zweiten Position (O) befindet, die erste Magnetkraft (F1, T1) höher als die zweite Magnetkraft (F2, T2) ist, so dass der bewegbare Magnetanker in der zweiten Position (O) gehalten wird.
  2. Magnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste magnetische Reluktanz (R1) des ersten Zweiges (10a) abnimmt und eine zweite magnetische Reluktanz (R2) des zweiten Zweiges (10b) zunimmt, wenn sich der bewegbare magnetische Anker von der ersten Position (C) in die zweite Position (O) bewegt.
  3. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer zweiten magnetischen Reluktanz (R2) des zweiten Zweiges (10b) und einer dritten magnetischen Reluktanz (R3) des dritten Zweiges (10c) zunimmt, wenn sich der bewegbare Magnetanker (3) von der ersten Position (C) in die zweite Position (O) bewegt.
  4. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (4) mit dem ersten Abschnitt (21) des festen Magnetankers gekoppelt ist, wobei der erste Luftspaltbereich (G1) zwischen dem bewegbaren Magnetanker (3) und dem Permanentmagneten gebildet ist.
  5. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (5) auf den zweiten Abschnitt (22) des festen Magnetankers (2) gewickelt ist.
  6. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Zweig (10c) des Magnetkreises (10) einen dritten Abschnitt (23) des festen Magnetankers (2) umfasst, der dem bewegbaren Magnetanker (3) zugewandt ist.
  7. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Zweig (10c) des Magnetkreises (10) einen dritten Abschnitt (33) des bewegbaren Magnetankers (3) umfasst, der dem festen Magnetanker (2) zugewandt ist.
  8. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Magnetanker (3) relativ zu dem festen Magnetanker (2) rotatorisch bewegbar ist.
  9. Magnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Magnetanker (3) relativ zu dem festen Magnetanker (2) roto-translatorisch bewegbar ist.
  10. Magnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Luftspaltbereich (G1, G2) in unterschiedlichen Abständen zu einer Drehachse (A) des bewegbaren Magnetankers (3) angeordnet sind.
  11. Magnetischer Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (A) des bewegbaren Magnetankers (3) am magnetischen Nebenflussbereich (G3) liegt.
  12. Magnetischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Magnetanker (3) relativ zu dem festen Magnetanker (2) translatorisch bewegbar ist.
  13. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen bewegbaren Stößel (6) umfasst, der dazu ausgelegt ist, durch den bewegbaren Magnetanker (3) betätigt zu werden, wenn sich der bewegbare Magnetanker von der ersten Position (C) in die zweite Position (O) bewegt.
  14. Magnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Anschlag (11) umfasst, der dazu ausgelegt ist, einen Hub des bewegbaren Magnetankers (3) zu begrenzen, wenn sich der bewegbare Magnetanker von der ersten Position (C) in die zweite Position (O) bewegt.
  15. Magnetischer Aktuator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (11) ein Element (11a) aus elastischem Material umfasst, das dazu ausgelegt ist, mit dem bewegbaren Magnetanker (3) in Kontakt zu kommen, wenn sich der bewegbare Magnetanker in die Nähe der zweiten Position (O) kommt.
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