Beschreibung

Magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Antriebs ^¬ system für eine Schalteinrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art.

Eine derartiges bipolares Antriebssystem ist z. B. aus der DE 197 09 089 Al bereits bekannt. Der Anker besteht hierbei aus einem massiven magnetischen Eisenwerkstoff, wodurch er sich kostengünstiger fertigen lässt als ein aus geschichteten Elektroblechen zusammengesetzter Anker und häufig auch eine größere Langzeitstabilität aufweisen wird. Dafür hat der mas- sive Anker an sich den Nachteil, dass gegenüber Ankern aus geschichtetem Elektroblech mehr Wirbelstromverluste auftreten und eine stärkere Remanenz vorhanden ist, die u. a. das Lösen der Schaltkontakte beim Umschalten erschwert. Um die Wirbel ^¬ stromverluste zu reduzieren, ist der Anker mit länglichen Hohlkanälen versehen, die aus schmalen Schlitzen bestehen und sich in Vorschubrichtung des Ankers und somit in Richtung der magnetischen Feldlinien erstrecken.

Bei mono- oder bipolaren magnetischen Antriebssystemen, besonders bei permanentmagnetisch gepolten, wird der Anker meist über eine zentrale Achse oder zwei Achsbolzen im Magnetsystem geführt. Aus der älteren deutschen Patentanmeldung 10 2007 028 203.8 ist ein bipolares magnetisches Antriebssystem für eine Schalteinrichtung bekannt, bei der der Anker über zwei Achsbolzen im

Magnetsystem geführt wird. Dabei kann es bei der Führung des Ankers zu einer Verkantung des Ankers im Magnetsystem kommen. Darüber hinaus kann aufgrund des Führungsmaßes und des daraus resultierenden Spieles zwischen Anker und Permanentmagnet der

Anker mit zwei seiner Kanten an den Jochflächen anliegen und über Schaltbewegung mechanisch auf diese einwirken. Dies führt zu einem Schaben des Ankers und zu hohen Reibungskräften, welche die spröden Permanentmagneten beschädigen können. Zur Vermeidung des Schabens an den von den Permanentmagneten gebildeten Jochflächen ist es ferner bekannt, Blechlagen anzuordnen. Diese führen aber zu erheblichen Reibungskräften, die sogar zu einem Schaltversagen führen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein magneti ^¬ sches Antriebssystem der im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass ein Verkanten weitgehend verhindert und eine hohe Schaltstabilität ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße magnetische Antriebssystem für eine Schalteinrichtung umfasst ein Magnetjoch, in dem ein massiver Anker aus magnetischem Werkstoff zwischen zwei entgegen gesetzten Endlagen linear schiebegeführt ist, und wenigstens einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in dem Magnetjoch und wenigstens eine Spule, durch die der Anker zwischen seinen Endlagen hin- und her bewegbar ist. Dabei ist der Anker zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten mit länglichen Hohlkanälen versehen. Erfindungsgemäß ist zwischen verschiebbarem Anker und einer in Richtung des Ankers weisenden Permanentmagnetoberfläche ein Gleitelement angeordnet.

Durch die Anordnung eines Gleitelements zwischen den Führungsflächen ist der Anker weitgehend spaltfrei und rei ^¬ bungsarm geführt. Hierdurch sind stabile Schaltzeiten und hohe Schaltspielzahlen ermöglicht sowie Beschädigungen der spröden Permanentmagneten weitgehend vermieden. Insbesondere kommt es zu keiner abrasiv bedingten Beschädigung der Permanentmagneten. Zudem können sich keine Verschleißpartikel auf der oder den Endflächen des Magnetjochs ablagern, die eine Verminderung des Schalthubes des Ankers bewirken würden.

Ferner setzten sich auch im Spalt zwischen Anker und Permanentmagnet keine Verschleißpartikel fest, so dass es zu keiner undefinierbaren Beeinflussung der Schaltzeiten durch Reibung kommen kann. Zusammenfassend wird hierdurch die Lang- zeitstabilität und Betriebssicherheit des magnetischen An ^¬ triebssystems und des über dieses angetriebenen Schaltgerätes erhöht .

Zweckmäßigerweise ist das Gleitelement ankerseitig oder magnetseitig angeordnet, insbesondere fixierbar. Dabei ist das Gleitelement bevorzugt einseitig, d.h. entweder anker ^¬ seitig oder magnetseitig, fixiert, wodurch der Anker rei ^¬ bungsarm geführt werden kann.

Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass das Gleitele ^¬ ment als eine Gleitfolie ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Gleitfolie magnetseitig fixiert, so dass der Anker rei ^¬ bungsarm entlang der Gleitfolie geführt werden kann. Dabei weist die Gleitfolie insbesondere der Oberfläche des zuge- hörigen Permanentmagneten entsprechende Abmessungen auf. Auch können geringere Abmessungen für die Gleitfolie gewählt werden. An die Oberfläche des Permanentmagnets angepasste Abmessungen für die Gleitfolie ermöglichen ein flächiges und somit stabiles Fixieren der Gleitfolie am Permanentmagneten

sowie eine besonders reibungsarme Führung des Ankers entlang der Gleitfolie.

Bei einer Ausführungsform eines von zwei Permanentmagneten umgebenen Ankers bzw. eines in einem Hohlraum eines Permanentmagneten geführten Ankers ist vorzugsweise auf jedem der Permanentmagnetoberflächen jeweils eine Gleitfolie fixiert. Dies ermöglicht eine besonders gute Führung bei weitgehend geringen Reibungskräften.

Bevorzugt ist die Gleitfolie aus einem Fluorkunststoff, insbesondere aus Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) , Per- fluorethylenpropylen-Copolymer (FEP) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet. Eine aus einem derartigen festen und eine gleitende Oberfläche ermöglichenden Material gebildete Gleitfolie ist weitgehend verschleißfrei und als Gleitmittel oder -element zur reibungsarmen Führung des harten Ankers besonders gut geeignet .

In einer weiteren Ausführungsform weist die Gleitfolie eine Dicke von 0.5 mm auf. Hierdurch kann ein durch Fertigungstoleranzen bedingtes Spiel zwischen Anker und Permanentmagnetoberfläche ausgeglichen werden, so dass der Anker weitgehend spaltfrei geführt werden kann und ein Festsetzen von Verschleißpartikeln im Spalt vermieden ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann als Gleitelement mindestens ein Gleitkörper vorgesehen sein. Bevorzugt ist der Gleitkörper ankerseitig, beispielsweise in einer Aussparung des Ankers angeordnet. Auch können mehrere Gleitkörper zur reibungsarmen Führung in einer oder mehreren Aussparungen des Ankers angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist oder sind der oder die Aussparungen seitlich auf den Breitseiten des Ankers

in dessen Oberfläche eingebracht, wodurch der Anker weitge ^¬ hend reibungsarm entlang der Permanentmagnetoberfläche/n geführt werden kann.

Eine mögliche Ausführungsform für die Aussparung sieht vor, dass diese als eine oder mehrere Rinnen ausgebildet ist. Dabei weist die jeweilige Aussparung eine an die Form, insbesondere an die Außenabmessungen des Gleitkörpers weitgehend angepasste Form, insbesondere Innenabmessungen auf, so dass der Gleitkörper weitgehend formschlüssig in die Aussparung einbracht werden kann und in dieser aus dieser kurz herausragend angeordnet ist. Bevorzugt sind mehrere Gleitkörper parallel neben- und/oder übereinander in jeweils zugehörige Aussparungen angeordnet.

Zur Einstellung des Führungsmaßes und weitgehenden Reduzierung eines Spiels zwischen verschiebbarem Anker und Permanentmagnetoberfläche ist mindestens ein Distanzelement vorgesehen. Das Distanzelement ist bevorzugt unterhalb des Gleitkörpers in der Aussparung angeordnet, so dass der Gleit ^¬ körper aus der Aussparung hinausragt und eine reibungsarme Führung des Ankers an der Permanentmagnetoberfläche ermöglicht .

Bei einer Ausbildung des Distanzelementes als Distanzblech ist dieses unterhalb des Gleitkörpers in die jeweilige Aussparung für den Gleitkörper angeordnet, wodurch der Gleitkörper an die Permanentmagnetoberfläche gedrückt wird. Bei einer alternativen Ausbildung des Distanzelementes als Schraubendruckfeder ist diese in eine Bohrung unterhalb der jeweiligen Aussparung angeordnet, insbesondere in diese geschraubt. Dabei drückt die Schraubendruckfeder den Gleitkörper an die Permanentmagnetoberfläche.

Von der technischen Wirkung her und auch fertigungstechnisch günstig ist der Gleitkörper bevorzugt aus einem glasfaserverstärkten Thermoplast, insbesondere aus einem Fluorkunst ^¬ stoff, z. B. Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Perfluorethylen- propylen-Copolymer (FEP), Polytetrafluorethylen (PTFE), oder Polyoxymethylen oder Polyacetal (= POM) gebildet.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin ^¬ dung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungs- beispiels unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung zu ent ^¬ nehmen, wobei einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Tragstruktur eines magnetischen Antriebssystems in perspektivischer Schrägansicht,

Fig. 2 einen Anker der Tragstruktur mit mehreren in die Oberfläche der Breitseite eingebrachten Aussparungen zur Aufnahme von Gleitkörpern in perspektivischer Einzelansicht schräg von rechts,

Fig. 3 mehrere in Aussparungen des Anker gemäß Figur 2 einsetzbare Distanzelemente und Gleitkörper in perspektivischer Einzelansicht schräg von rechts,

Fig. 4 eine Frontalansicht einer Breitseite des Ankerblocks in Fig. 2 mit in gestrichelter Darstellung angedeutetem Verlauf der Lochreihen,

Fig. 5 eine weitere mögliche Ausführungsform für einen Anker der Tragstruktur mit mehreren in die Oberfläche der Breitseite eingebrachten Aussparungen zur Aufnahme von

Gleitkörpern in perspektivischer Einzelansicht schräg von rechts, und

Fig. 6 eine Frontalansicht einer Breitseite des Ankerblocks in Fig. 5 mit in gestrichelter Darstellung angedeutetem Verlauf der Lochreihen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist eine tragende Struktur 1 eines nicht in der Gesamtheit dargestellten permanentmagnetischen Antriebssystems zur Betätigung einer Schalteinrichtung zu sehen. Diese Struktur 1 umfasst einen quaderförmigen Rahmen, der aus zwei Magnetjochen 2 und 3 unter Zwischenfügung von zwei Lagerplatten 4 und 5 zusammengesetzt ist. Beide Magnet joche 2 und 3 sind spiegelsymmetrisch gestaltet und besitzen an den beiden Enden jeweils um 90 Grad abgewinkelte Jochschenkel, so dass sie hinsichtlich ihrer Grundform etwa U-förmig gestaltet sind. Die planen Endflächen der gegeneinander gerichteten

Jochschenkel der Magnetjoche 2 und 3 liegen oben flächig an der zugewandten Seitenfläche der Lagerplatte 4 und unten an der zugewandten Seitenfläche der Lagerplatte 5 an, wobei die korrespondierenden Jochschenkel über die Lagerplatten 4 bzw. 5 miteinander verbunden sind. Im Mittelbereich zwischen den Jochschenkeln ragt von den Magnetjochen 2 und 3 jeweils ein vorspringender Polschenkel ab, wobei die einander gegenüberliegenden Polschenkel entsprechend den Jochschenkeln gegeneinander gerichtet sind. Auf den einander mit Abstand ge- genüberliegenden Enden der Polschenkel sind plattenförmige Permanentmagnete 6 bzw. 7 befestigt.

Zwischen den planparallelen Permanentmagneten 6 und 7 liegt mit geringem Abstand zu diesen ein quaderförmiger Anker 8 im

Jochrahmen, der in der gezeichneten Position an der Lagerplatte 5 aufliegt. Der Anker 8 umfasst auch zwei Ankerfüh ^¬ rungsstangen 9 die mittig von der Oberseite bzw. der Unterseite des Ankerblocks abstehen und geometrisch koaxial zuein- ander angeordnet sind. Die Ankerführungsstangen 9 durchsetzen eine Lagerbohrung 10 in der ihnen zugeordneten Lagerplatte 4 bzw. 5 mit wenig Umfangsspiel und stehen mit einem Endbereich aus der Lagerbohrung 10 ihrer Lagerplatte 4 bzw. 5 heraus, so dass der Anker 8 mittels der Führungsstangen 9 vertikal Ii- near schiebegeführt ist. Der Magnetrahmen wäre im Zusammenbau noch mit zwei Spulen zwischen den Polschenkeln und den Jochschenkeln versehen, durch deren Magnetfeld der Anker 8 bei entsprechender Polrichtung nach überwindung seiner Anhaftung an der Lagerplatte 5 in seine obere Endlage verschoben würde, in der sein Vorschub durch Anschlagen an der Unterseite der Lagerplatte 4 begrenzt würde. Nach Umkehrung der Polrichtung des Magnetfeldes würde er nach überwindung der Anhaftung durch Magnetkräfte wieder nach unten in die gezeigte Endlage auf die Lagerplatte 5 niedergedrückt und in der Anlagestellung gehalten. Die

Wirkungsweise solcher Magnetantriebe ist als solche bekannt, so dass hier auf weitergehende Erläuterungen verzichtet wird.

Die Magnetjoche 2 und 3 bestehen hier aus einer Vielzahl dün- ner Jochbleche, die zu dem gezeigten, dicken Jochblechstapel gefügt sind. Demgegenüber bestehen der Anker 8 sowie die Lagerplatten 4 und 5 aus Blöcken ferromagnetischen Materials bekannter Art, insbesondere aus einer entsprechenden Eisenlegierung.

Zur Reduzierung der Wirbelstromverluste und der Remanenz des Ankers 8 sowie der Lagerplatten 4 und 5 sind in den massiven Block des Ankers 8 eine Vielzahl von Kanälen (Hohlkanälen) 11, 12 und 13 integriert, die hier einen übereinstimmenden

Durchmesser von beispielsweise 4 mm aufweisen, alle als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind und sich nur hinsichtlich ihrer Länge unterscheiden, da sie den Block des Ankers 8 in unterschiedlichen Richtungen durchsetzen. Die Hohlkanäle 11, 12 und 13 können alternativ auch als Sacklochbohrungen ausgebildet sein, die von beiden Seitenflächen aus gebohrt werden.

Wie in Verbindung mit der Figur 2 deutlicher zu erkennen ist, gehen die Hohlkanäle 11 von der oberen Stirnseite des Ankers 8 aus, verlaufen parallel zur Mittellängsachse der Anker ^¬ führungsstangen 9 und somit rechtwinklig zur planen Stirnseite bis sie auf der gegenüberliegenden Stirnseite münden. Dabei sind zwei Reihen mit jeweils sechs Hohlkanälen 11 vorhanden, wobei die Hohlkanäle 11 in jeder der beiden Reihen jeweils einen vorgebbaren Abstand von beispielsweise ca. 10 mm zum benachbarten Hohlkanal 11 aufweisen. Diese Reihen verlaufen parallel zu den langen Seitenkanten der Stirnseiten und auf entgegen gesetzten Seiten einer mittig in auf der Stirnseite angeordnete Sacklochbohrung 14 mit Innengewinde, in welche die Ankerführungsstange 9 oder ober- und unterseitig zwei Ankerführungsbolzen hineingedreht ist bzw. sind. Quer zu diesen Hohlkanälen 11 sind die Hohlkanäle 12 angeordnet, die von einer Schmalseite des Ankers 8 ausgehen und auf der gegenüberliegenden Schmalseite des Ankers 8 münden. Diese insgesamt fünf Hohlkanäle 12 bilden eine gerade Reihe, die mittig zwischen den langen Seitenkanten der Schmalseite angeordnet ist, wie in Verbindung mit Figuren 2 und 4 zweifelsfrei zu sehen ist. Diese Hohlkanäle 12 ver- laufen dadurch aber auch mittig zwischen den beiden Reihen mit den Hohlkanälen 11 und durchdringen auch die Anordnungsebene der Ankerführungsstangen 9. Falls keine Schwächung der Bohrungswand der Sacklochbohrungen 14 erfolgen soll, können die Hohlkanäle 12 deshalb alternativ auch als Sacklochbohrun-

gen ausgebildet sein und in einem Abstand vor der Sacklochbohrung 14 enden. Solche Sacklochbohrungen als Hohlkanäle 12 sollten dann möglichst im gleichen Abstand von der Sacklochbohrung 14 enden wie der seitliche Abstand der Hohlkanäle 11 auf der Stirnseite des Ankers 8. Dieser Abstand ist in der frontalen Draufsicht gemäß Figur 2 gut zu erkennen. In diesem Fall müssten die Hohlkanäle 12 aber von den entgegen gesetzten Stirnseiten aus gebohrt werden, was einen entsprechenden Mehraufwand bei der Herstellung des Ankers 8 zur Folge hätte.

Ebenfalls quer zu den Hohlkanälen 11 und in erheblich größerer Anzahl sind die Hohlkanäle 13 eingebracht, die sich alle rechtwinklig zur Längsmittelebene des Ankers 8 erstrecken. Dabei gehen die Hohlkanäle 13 von einer Breitseite des

Ankers 8 aus und münden in die gegenüberliegende Breitseite ein. Das Lochbild auf der Breitseite umfasst dabei zwei rechteckige Lochfelder, die aus drei parallelen Reihen mit jeweils sieben bzw. fünf Hohlkanälen 13 bestehen, wobei die Hohlkanäle 13 in der Reihe und seitlich einen übereinstimmenden Abstand voneinander aufweisen. Dabei weisen die jeweils drei parallelen Reihen sieben Hohlkanäle 13 auf. Diese Lochfelder liegen beidseitig eines Mittelbereichs des Ankers 8, in dem die Ankerführungsstangen 9 angeordnet sind.

Zwischen den beiden Lochfeldern aus Hohlkanälen 13 ist zusätzlich zentral ein einzelner Hohlkanal 13' angeordnet, der ebenfalls eine die Breitseiten verbindende Durchgangsbohrung bildet. Wie aus der Frontalansicht nach Figur 5 in Verbindung mit der Schnittdarstellung nach Figur 6 zu ersehen ist, passiert der Hohlkanal 13' hierbei einen Vollmaterialbereich des Ankerblocks, der zwischen den Enden der beiden Sacklochbohrungen 14 verblieben ist. Somit wird die Stabilität des An-

kers 8 durch den Hohlkanal 13' nicht nennenswert beeinträch ^¬ tigt.

Neben den Hohlkanälen im Anker 8 befinden sich auch in den Lagerplatten 4 und 5 Hohlkanäle 15, die sich achsparallel zu den Hohlkanälen 11 erstrecken. Von den Hohlkanälen 15 sind zwei Reihen mit jeweils sechs Hohlkanälen 15 vorhanden, die vorzugsweise kongruent zu den Hohlkanälen 11 im Anker 8 ange ^¬ ordnet sind.

Zur reibungsarmen Führung des Ankers 8 zwischen den Permanentmagneten 6 und 7 ist zwischen dem Anker 8 und der jeweiligen Permanentmagnetoberfläche ein als Gleitfolie 16 ausgebildetes Gleitelement angeordnet. Die Gleitfolie 16 ist magnetseitig am jeweiligen Permanentmagneten 6, 7 fixiert, z. B. geklebt. Die Abmessungen der Gleitfolie 16 entsprechen in etwa der Oberfläche der Permanentmagneten 6, 7. Die Gleitfolie 16 ist etwa 0.5 mm dick. Dabei hängt die Dicke der Gleitfolie 16 insbesondere vom Spiel zwischen Anker 8 und Permanentmagneten 6, 7 ab .

Im Oberflächenbereich der mittleren Lochreihe mit sieben Hohlkanälen 13 der jeweils drei parallelen Lochreihen des Ankers 8 sind Aussparungen 17 in die Oberfläche des Ankers 8 eingebracht, in welche die in Figur 3 gezeigten, als

Gleitkörper 18 ausgebildeten alternativen Gleitelemente und gegebenenfalls Distanzelemente 19 anordbar sind. Unterhalb der Aussparungen 17 ist jeweils ein Hohlkanal 13 in den Anker 8 eingebracht. Die Anzahl der Distanzelemente 19, welche beispielsweise als Distanzbleche ausgebildet sind, hängt dabei maßgeblich vom Führungsmaß und dem Spiel zwischen Anker 8 und Permanentmagneten 6, 7 ab. In einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausführungsform kann anstelle der als Distanzbleche ausgebildeten Distanzelemente 19 eine

Schraubendruckfeder vorgesehen sein, die in eine nicht dargestellte Bohrung, insbesondere einen Hohlkanal 13 unterhalb der Aussparung 17 eingesetzt, z. B. eingeschraubt wird und die den Gleitkörper 18 gegen die Permanentmagnet- Oberfläche des betreffenden Permanentmagneten 6 bzw. 7 drückt .

Figuren 5 und 6 zeigen eine alternative Ausführungsform für einen Anker 6 mit unterschiedlich ausgeprägten Lochfeldern und ohne seitliche Hohlkanäle 12. Die Aussparungen 17 zur Aufnahme von Gleitkörpern 18 und gegebenenfalls Distanzelementen 19 sind hier als längliche Rinnen in die Oberfläche des Ankers 8 eingebracht.

Bezugszeichenliste

1 Struktur

2,3 Magnet jochen

4,5 Lagerplatte

6,7 Permanentmagnete

8 Anker

9 FührungsStangen

10 Lagerbohrung

11, 12, 13, 13' , 15 Hohlkanäle

14 Sacklochbohrung

16 Gleitfolie

17 Aussparungen

18 Gleitkörper

19 Distanzelemente