Beschreibung Elektrodynamischer Linearantrieb Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Line- arantrieb, insbesondere Antrieb für einen elektrischen Schal- ter, bei welchem ein magnetisch aktives Teil von einem durch eine stromdurchflossene Spule erzeugten Magnetfeld bewegbar ist.

Ein derartiger elektrodynamischer Linearantrieb ist bei- spielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 199 29 572 AI be- kannt. Der dortige Linearantrieb weist eine Spule auf, welche bei einem Stromfluss durch die Spulenwindungen ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld verläuft in ihrem Innern in der Axialrichtung der Spule. Ein bewegbarer Anker weist ein mag- netisch aktives Teil auf. Der Anker und das magnetisch aktive Teil sind ausschließlich senkrecht zu der Axialrichtung be- wegbar. In Wechselwirkung mit dem von der Spule erzeugbaren Magnetfeld ist der magnetisch aktive Teil entlang einer Bewe- gungsbahn von einer Endlage in eine andere Endlage überführ- bar. Der Anker wird impulsartig angetrieben. Unabhängig von der Startposition des magnetisch aktiven Teils wird dieses zur Spulenmitte hin beschleunigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrodynamischen Antrieb der eingangs genannten Art so aus- zubilden, dass die Bewegung des magnetisch aktiven Teils bes- ser steuerbar ist.

Die Aufgabe wird bei einem Linearantrieb der eingangs genann- ten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zusätzlich zu der Spule eine Hilfsspule vorgesehen ist, welche für einen

begrenzten Zeitraum während einer Anfangsphase der Bewegung des magnetisch aktiven Teiles ein Hilfsmagnetfeld erzeugt.

Mit dem Einsatz einer Hilfsspule für einen begrenzten Zeit- raum während einer Anfangsphase der Bewegung des magnetisch aktiven Teiles ist der Bewegungsablauf günstig steuerbar. Die von der Spule und der Hilfsspule erzeugten Magnetfelder kön- nen in günstiger Weise überlagert werden, so dass zu Beginn der Bewegung eine sehr hohe Antriebskraft zur Verfügung steht. Durch den Einsatz der Hilfsspule kann auf eine große Dimensionierung der Spule zur Erzeugung einer hohen Anfangs- kraft verzichtet werden. Durch die Gestaltung der Kombination von Spule und Hilfsspule sind verschiedene Schaltcharakteris- tiken eines derartig ausgebildeten elektrodynamischen Linear- antriebes erzeugbar. Während zum Beginn der Ausschaltbewegung nunmehr eine hohe Antriebskraft, beispielsweise zum Überwin- den einer auf das magnetisch aktive Teil wirkenden Haltekraft einer Haltvorrichtung zur Verfügung steht, ist zum Ende des Bewegungsvorganges des sich bereits im Bewegung befindlichen magnetisch aktiven Teiles nur ein verminderter Kraftaufwand erforderlich. Neben der Überlagerung der Magnetfelder ist es ebenfalls möglich, die von der Hilfsspule und der Spule er- zeugten Magnetfelder zeitlich nacheinander wirken zu lassen.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Spule und die Hilfsspule Teil einer gemeinsamen Wicklung sind.

Bilden Spule und Hilfsspule einen Teil einer gemeinsamen Wicklung, so ergeben sich besonders große Vorteile hinsicht- lich der Fertigung eines derartigen Linearantriebes. Die Spule kann dabei neben ihren Endanschlüssen zusätzlich eine oder mehrere Mittelanschlüsse aufweisen. Je nach den techni- schen Gegebenheiten ist dann einer der Mittelanschlüsse aus-

zuwählen und so die Größe der Hilfsspule festzulegen. Sind mehrere Mittelanschlüsse vorgesehen, so ist es möglich, die- selbe Wicklung zur Ausbildung verschiedener Spulen und Hilfs- spulenkombinationen zu verwenden. Gegebenenfalls kann auf die Nutzung der Hilfsspule auch verzichtet werden. Trotz ver- schiedener technischer Ausgestaltungsvarianten können gleich- artige Spulen für verschiedene Linearantriebe eingesetzt wer- den.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Hilfsspule von einer Hilfsspannungsquelle, insbesondere einem Hilfskondensator, gespeist ist.

Ist zur Versorgung der Hilfsspule eine Hilfsspannungsquelle vorgesehen, so kann der zur Erzeugung des Hilfsmagnetfeldes notwendige Hilfsstrom unabhängig von anderen Spannungsquellen gespeist werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Hilfskondensators als Hilfsspannungsquelle. Der Hilfskonden- sator ist in einfacher Weise aufladbar und steht dann zur Versorgung der Hilfsspule zur Verfügung. Ein derartig aufge- ladener Hilfskondensator kann der Hilfsspule nahezu unabhän- gig von äußeren Bedingungen, wie beispielsweise einem Stör- fall in einem Energieversorgungsnetz oder einer anderen her- kömmlichen Spannungsquelle, die notwendige Energie zur Verfü- gung stellen.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Hilfsspule eine geringere Induktivität aufweist als die Spule.

Weist die Hilfsspule eine geringere Induktivität auf, so ist mit einfachen Mitteln sichergestellt, dass das Hilfsmagnet- feld durch die Induktivität der Hilfsspule und die sich erge- bende kleine Zeitkonstante nur während eines begrenzten Zeit-

intervalls erzeugt ist, welches kürzer ist als das Zeitinter- vall des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Hilfs- kondensator und die Hilfsspule einen Teil eines Hilfs- Schwingkreises bilden, dessen Zeitkonstante wesentlich klei- ner ist als die Zeitkonstante eines aus der Spule und einem Hauptkondensator gebildeten Hauptschwingkreises.

Bilden die Spule und der Hauptkondensator sowie der Hilfskon- densator und die Hilfsspule Schwingkreise aus, so kann der Antrieb in sehr günstiger Weise angesteuert werden. Der zwi- schen Hauptkondensator und Spule fließende Hauptstrom erzeugt in der Spule ein Magnetfeld. In dem Hilfsschwingkreis fließt ein Hilfsstrom, welcher in der Hilfsspule das Hilfsmagnetfeld erzeugt. Der Hilfsschwingkreis weist vorteilhaft eine klei- nere Zeitkonstante auf, als der Hauptschwingkreis. Diese bei- den Magnetfelder können sich vorteilhafterweise räumlich und zeitlich überlagern oder zeitlich nacheinander erzeugt wer- den. Durch den Hilfskondensator ist das Zeitverhalten des Hilfsschwingkreises in einfacher Weise variierbar, so dass der zeitliche Verlauf des resultierenden Magnetfeldes leicht einstellbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass pa- rallel zur Hilfsspule eine Freilaufdiode geschaltet ist.

Durch die Freilaufdiode wird mit sehr einfachen Mitteln ein Stromfluss durch die Hilfsspule in nur einer Richtung zuge- lassen. Somit ist gewährleistet, dass das Hilfsmagnetfeld stets so gerichtet ist, dass es zu dem durch die Spule er- zeugten Magnetfeld stets positiv verstärkend wirkt. Etwaige Ströme, welche ein Hilfsmagnetfeld erzeugen, dass dem durch

die Spule erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist, werden so gesperrt. Derartige Ströme treten während der zwei- ten Halbwelle der Schwingung im Hilfsschwingkreis auf.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in Reihe zu der Parallelschaltung, von der Spule einerseits und der Hilfs- spule mit in Reihe vorgeschaltetem Hilfskondensator anderer- seits, der Hauptkondensator geschaltet ist.

Eine derartige Schaltungsvariante ermöglicht es, den Haupt- kondensator und die Spule als Hauptschwingkreis auszubilden und das Schwingungsverhalten des Hauptschwingkreises so zu gestalten, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von Schwingun- gen, beispielsweise ein oder zwei Schwingungsvorgänge, die Schwingung des Hauptschwingkreises selbsttätig gedämpft ist.

Der aus Hilfsspule und Hilfskondensator gebildete Teil des Hilfsschwingkreises verfügt über seine eigene Hilfsspannungs- quelle und entlastet den Hauptkondensator von zusätzlicher Last. Weiterhin kann durch den Hilfskondensator die Zeit- konstante des Hilfsschwingkreises eingestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.

Dabei zeigt die Figur 1 eine Vakuumröhre in ihrer Aus-Stellung mit ei- nem zugehörigen elektrodynamischen Linearan- trieb, die Figur 2 eine Vakuumröhre in ihrer Ein-Stellung mit ei- nem zugehörigen elektrodynamischen Linearan- trieb, die Figur 3 eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung ei- nes elektrodynamischen Linearantriebes und die

Figur 4 ein Diagramm der während eines Schaltvorganges auftretenden Ströme durch Spule und Hilfsspule in Abhängigkeit der Zeit.

Die Figur 1 zeigt eine Vakuumröhre 1 eines Schalters der Mit- tel-oder Hochspannungstechnik, welche ein erstes feststehen- des Kontaktstück 2 sowie ein zweites, mittels eines Antriebes 4 bewegbares Kontaktstück 3, aufweist. Der Antrieb 4 weist eine Spule 5 auf, welche bei einem Stromfluss durch ihre Win- dungen ein Magnetfeld 6 in axialer Richtung erzeugt. Weiter- hin ist zur Erzeugung eines Hilfsmagnetfeldes eine zur Spule 5 koaxiale Hilfsspule 7 vorgesehen. Zur Lenkung der magne- tischen Feldlinien ist die Spule 5 sowie die Hilfsspule 7 in einen Jochkörper 8 eingebettet. Der Jochkörper 8 weist einen mittleren Jochkörperzweig 8a sowie einen ersten seitlichen Jochkörperzweig 8b und einen zweiten seitlichen Jochkörper- zweig 8c auf. Senkrecht zu dem Magnetfeld 6 ist ein Anker 9 bewegbar. Der nicht-magnetische Teil des Ankers 9 ist an das zweite bewegbare Kontaktstück 3 angekoppelt. Dem nicht-magne- tischen Teil des Ankers 9 ist ein als magnetisch aktiver Teil wirkender Permanentmagnet 10 zugeordnet und mit diesem ver- bunden. Um das erzeugte Magnetfeld 6 in günstiger Weise längs des Ankers 9 räumlich günstig zu führen, erstreckt sich die Spule 5 die Hilfsspule 7 sowie der Jochkörper 8 jeweils ent- lang zweier Seiten des Ankers 9, so dass sich ein Luftspalt ausbildet, entlang dessen der nicht-magnetische Teil des An- kers 9 mit dem Permanentmagnet 10 bewegbar ist. Der elektro- dynamische Linearantrieb 4 ist bezüglich des Luftspaltes spiegelsymmetrisch aufgebaut.

Alternativ kann sich der Antrieb 4 auch entlang einer einzi- gen Seite des Ankers 9 erstrecken. Darüber hinaus können auch andere Anordnungen von der Spule 5 und der Hilfsspule 7 be- züglich des Ankers 9 vorgesehen sein.

In den Endlagen des Permanentmagneten 10, welche der Ein- bzw. der Ausstellung des zweiten bewegbaren Kontaktstückes 3 entsprechen, ist der Permanentmagnet 10 aufgrund der seitli- chen Jochkörperzweige 8b, 8c und der entsprechend durch den Permanentmagneten 10 erzeugten magnetischen Kräfte selbsttä- tig in seiner Lage gehalten. Zur Unterstützung der Halte- kräfte im eingeschalteten Zustand ist eine ortsfest gelagerte Haltevorrichtung vorgesehen. Diese Haltevorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Haltemagnet 11 und einem ortsfest mit dem Anker 9 bzw. dem zweiten bewegbaren Kontaktstück 3 verbundenen Gegenjoch 12 zum Haltemagnet 11. In der Ein-Stel- lung (Figur 2) der Vakuumröhre 1 befindet sich das Gegenjoch 12 im Wirkbereich des Haltemagnetes 11. Durch die von dem Haltemagnet 11 ausgehenden Magnetkräfte wird das Gegenjoch 12 von diesem angezogen und dadurch das zweite bewegbare Kon- taktstück 3 zusätzlich zu der von dem Permanentmagnet 10 und dem ersten seitlichen Jochkörperzweig 8b bewirkten Selbsthal- tekraft gegen das erste feststehende Kontaktstück 2 gepresst.

Dies ist insbesondere bei der Anwendung in einem Vakuumschal- ter wichtig. In der Aus-Stellung befindet sich das Gegenjoch 12 außerhalb des von dem Haltemagnet 11 ausgehenden Magnet- feldes. Zusätzlich kann das Gegenjoch 12 so angeordnet sein, dass es als mechanischer Anschlag zum Begrenzen der Bewe- gungsbahn des Ankers 9 wirkt.

Die in der Figur 3 gezeigte Schaltung zeichnet sich durch ei- nen sehr einfachen, aus wenigen Bauelementen bestehenden Auf- bau aus. In einem ersten Parallelzweig 13 ist die Spule 5 an- geordnet. In einem zweiten Parallelzweig 14 ist die Hilfs- spule 7 angeordnet. Weiterhin ist im zweiten Parallelzweig 14 in Reihe zu der Hilfsspule 7 ein Hilfskondensator 15 vorgese- hen. Parallel zu der Hilfsspule 7 ist eine Freilaufdiode 16

geschaltet. In Reihe zu dem ersten Parallelzweig 13 und dem zweiten Parallelzweig 14 ist ein Hauptkondensator 17 geschal- tet. Der Hauptkondensator 17 und die Spule 5 bilden einen Hauptschwingkreis aus. Die Hilfsspule 7 und der Hilfskonden- sator 15 sind Teil eines Hilfsschwingkreises. Mittels eines Schalters 18 sind der Hauptschwingkreis sowie der Hilfs- schwingkreis schließbar und auftrennbar. Die Induktivität der Hauptspule 5 ist größer als die Induktivität der Hilfsspule 7. Aufgrund dieser elektrischen Größen ist die Zeitkonstante des Hauptschwingkreises größer als die Zeitkonstante des Hilfsschwingkreises, das heißt, bei geschlossenem Halter 18 pendelt zwischen dem Hauptkondensator 17 und der Hauptspule 5 ein Strom mit einer kleineren Frequenz als ein zwischen der Hilfsspule 7 und dem Hilfskondensator 15 pendelnder Strom.

Der Hauptkondensator 17 sowie der Hilfskondensator 15 sind durch eine in der Figur 3 schematisch dargestellte Ladeein- richtung 21 aufladbar. Wird nunmehr der Schalter 18 geschlos- sen, das heißt, der elektrodynamische Antrieb 4 soll in Be- trieb gesetzt werden, so treibt der Hilfskondensator 15 über den nunmehr geschlossenen Stromkreis einen Strom durch die Hilfsspule 7. Das dabei erzeugte Magnetfeld bewegt den Perma- nentmagneten 10 und die mit ihm verbundenen Teile in Richtung der Spulenmitte. Aufgrund der relativ kleinen Zeitkonstante steigt dieser Strom sehr schnell, sehr stark an und klingt auch sehr schnell wieder ab. Gleichzeitig treibt der Haupt- kondensator 17 einen Strom durch die Hauptspule 5. Aufgrund der größeren Zeitkonstante steigt dieser Strom jedoch langsa- mer und auf ein kleineres Maximum an als der durch die Hilfs- spule 7 fließende Strom. Nach dem Abklingen des Stromes durch die Hilfsspule 7 und dem damit verbundenen Aufladen des Hilfskondensators 15 ändert sich die Polarität des nunmehr zurückfließenden Stromes. Dieser zurückfließende Strom wird

über die entsprechend geschaltete Freilaufdiode 16 an der Hilfsspule 7 vorbeigeleitet und entlädt den Hilfskondensator 15. Der in dem Hauptschwingkreis fließende Strom wechselt nach seinem Abklingen ebenfalls seine Polarität und bewirkt damit eine Änderung der Polarität des durch die Spule 5 er- zeugten Magnetfeldes. Zu diesem Zeitpunkt hat der Permanent- magnet 10 bereits den mittleren Jochkörperzweig 8a passiert, so dass der bisher in Richtung der Spulenmitte beschleunigte Permanentmagnet 10 aus der Spulenmitte heraus in Richtung ei- nes der seitlichen Jochkörperzweige 8b, 8c abgestoßen wird.

Die Wahl der elektrischen Eigenschaften der Spule 5 sowie des Hauptkondensators 17 kann dabei so erfolgen, dass nach einer gewünschten Anzahl von Schwingungen, beispielsweise einer Schwingung von einer Periodendauer, durch die natürliche Dämpfung des Hauptschwingkreises der im Hauptschwingkreis fließende Strom nahezu auf die Stromstärke 0 gedämpft wird.

Durch die Wahl des Hilfskondensators 15 ist der Scheitelwert bzw. die Frequenz des im Hilfsschwingkreis fließenden Stromes einstellbar.

In der Figur 4 ist der zeitliche Verlauf des durch die Spule 5 fließenden Stromes 19 und des durch die Hilfsspule 7 fließenden Stromes 20 während einer Schaltbewegung darge- stellt. Zwischen dem Betrag der Ströme und dem in der Spule 5 bzw. der Hilfsspule 7 erzeugten Magnetfeld besteht eine Pro- portionalität, so dass aus dem Diagramm direkt der Verlauf der auf das Kontaktstück wirkenden Beschleunigungskraft wäh- rend eines Schaltvorganges erkennbar ist.