Resonanter Magnetaktor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetaktor zur Aktuierung von Schaltern, insbesondere Leistungsschalter.

Es ist bekannt, im Bereich der Mittelspannungsschaltanlagen- technik Aktoren einzusetzen. Prinzipiell sind zur Aktuierung von Schaltanlagen rein mechanische, hydraulische oder elektromagnetische Antriebe bekannt. Die rein mechanische Aktuie ^¬ rung hat den Nachteil, dass die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten begrenzt sind, sowie der mechanische Aufbau komplex und damit teuer und fehleranfällig ist. Hydraulische Aktoren sind von Leckage betroffen und haben somit den Nachteil eines erhöhten Wartungsbedarfs. Eine elektromagnetische Aktuierung benötigt, um erforderliche Schaltgeschwindigkeiten zu errei ^¬ chen, einen großen elektrischen Energieeintrag, der somit nachteilig die notwendige Elektronik anfällig und teuer macht .

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Aktuierung von Schaltanlagen bereitzustellen, durch die insbesondere ausreichend hohe Schaltgeschwindigkei ^¬ ten bei geringem Wartungsbedarf und niedrigem elektrischem Energiebedarf gewährleistet sind. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Aktuierung von Schaltanlagen anzugeben.

Die Aufgabe ist durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren, das die gestellte Aufgabe löst, ist im Patentanspruch 11 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein magneto-mechanischer Aktor für eine Schalteinheit zur Aktuierung wenigstens eines Schalters. Dieser umfasst einen Magnetaktor, wobei der we- nigstens einen Anker aufweist. Der Anker umfasst wenigstens eine magnetische Einheit und ist mittels derer magnetisch ak- tuierbar. Die Vorrichtung umfasst weiter wenigstens einen mechanischen Energiespeicher, wobei der Magnetaktor und der mechanische Energiespeicher so angeordnet sind, und der Anker so mit dem mechanischen Energiespeicher verbunden ist, dass mit dem mechanischen Energiespeicher eine mechanische Kraft auf den Anker ausübbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, hohe Schaltgeschwindigkeiten zu errei ^¬ chen, und ist somit für die Aktuierung von Lasttrennschal ^¬ tern, bei denen eine Schaltung unter Last vorgesehen ist, geeignet. Die hohe Schaltgeschwindigkeit hat den Vorteil, dass der Schaltweg schnell überwunden werden kann und somit die Dauer des Schaltvorgangs reduziert wird. Dadurch wird eine Schädigung der Schalterelektroden verringert, zu der es durch die Ausbildung von Lichtbögen bei einem Schaltvorgang unter Last kommt. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 1 m/s erreicht. Es können sogar von der erfindungsgemäßen Vorrichtung Schaltgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s erreicht werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die magnetische Aktuierungs-Einheit ausges ^¬ taltet ist, für einen Aktuierungsvorgang in einem vorgebbaren Zeitintervall eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker auszuüben. Des Weiteren ist die magnetische Einheit ausges ^¬ taltet, in einer ersten Halteposition eine magnetische Halte ^¬ kraft auf den Anker auszuüben. Der mechanische Energiespei ^¬ cher ist ausgestaltet, auf den Anker in einer ersten Haltepo ^¬ sition eine mechanische Kraft auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegengesetzt ist und betrags ^¬ mäßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der mechanischen Kraft des mechanischen Energiespeichers und aus der magneti ^¬ schen Aktuierungskraft der magnetischen Aktuierungs-Einheit betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft der magnetischen Einheit und in einer zweiten Halteposition die mechanische Kraft des mechanischen Energiespeichers auf den Anker annähernd gleich Null oder zumindest vernachlässigbar gegenüber den anderen wirkenden Kräften ist.

Alternativ ist ein zweiter mechanischer Energiespeicher aus- gestaltet, in der zweiten Halteposition eine zweite mechanische Kraft auf den Anker auszuüben, die richtungsmäßig der ersten mechanischen Kraft des ersten mechanischen Energiespeichers in der ersten Halteposition entgegengesetzt ist, und so wiederum der zweiten magnetischen Haltekraft in der zweiten Halteposition entgegengesetzt ist, jedoch betragsmä ^¬ ßig kleiner ist als die zweite magnetische Haltekraft in der zweiten Halteposition.

Durch den mechanischen Energiespeicher wird also eine zusätz- liehe Kraft auf den Anker ausgeübt, die gestattet, den Anker durch eine Aktuierungskraft in Bewegung zu versetzen, die be ^¬ tragsmäßig sehr viel geringer sein kann als die mechanische Kraft oder die magnetische Haltekraft. Diese Ausgestaltung der Erfindung bietet also den Vorteil einer elektromechani- sehen Aktuierung mit niedriger Aktuierungsenergie . Somit kann eine flexible Ansteuerung, eine kompakte Bauweise, ein ver ^¬ schleiß- und wartungsarmer Betrieb, sowie eine kostensparende Auslegung der Ansteuerungselektronik gewährleistet werden. Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung einen Magnetaktor und wenigstens ein Gehäuse mit einer magnetischen Aktuie- rungs-Einheit . Der Magnetaktor ist bevorzugt bistabil ausges ^¬ taltet, derart, dass der Anker wenigstens eine magnetische Einheit aufweist und ausgestaltet ist, wenigstens eine erste und eine zweite Halteposition einzunehmen, wobei durch die magnetische Einheit in den Haltepositionen eine magnetische Haltekraft auf den Anker ausübbar ist, die den Anker in Kontakt mit dem Gehäuse hält. Dabei dient die magnetische Aktu- ierungs-Einheit zur Überwindung der Haltekraft und bewegt zu- sammen mit dem mechanischen Energiespeicher den Anker von der ersten in die zweite Halteposition. Dazu wird von der magnetischen Aktuierungs-Einheit ein Aktuierungsmagnetfeld er- zeugt, das auf die magnetische Einheit des Ankers in Richtung der nächsten einzunehmenden Halteposition wirkt.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mechanische Energiespeicher eine Feder. Die magnetische Aktuierungs-Einheit kann beispielsweise eine elektromagneti ^¬ sche Einheit sein, insbesondere eine Spule. Die magnetische Einheit kann beispielsweise ein Permanentmagnet sein. Der Energiespeicher ist ausgestaltet, in der ersten Halteposition eine Kraft auf den Anker auszuüben, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und betragsmäßig klei ^¬ ner als die magnetische Haltekraft ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der Kraft des mechanischen Energiespeicher und aus der elektromagnetischen Kraft einer elektromagnetischen Einheit die magnetische Haltekraft des

Permanentmagneten überwunden wird, in einer Position des Ankers während eines Aktuierungsvorgangs keine Kraft auf den Anker ausgeübt wird, und in einer zweiten Halteposition eine Kraft auf den Anker ausgeübt wird, die der Kraft in der ers- ten Halteposition richtungsmäßig entgegengesetzt ist, so dass diese wiederum der magnetischen Haltekraft in der zweiten Halteposition entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft in der zweiten Halteposition ist. Kraftbetrag und -richtung der elektromagnetischen Einheit sind insbesondere über die Bestromung, d.h. Stromrichtung und Stromstärke, der Spule variierbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als schwingungsfähiges System ausgestaltet, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse umfasst, welches eine Einschrän ^¬ kung der Bewegung des Ankers zwischen den Haltepositionen im Gehäuse bedingt, wobei durch die Abmessungen des Gehäuses eine Maximalamplitude A der Ankerbewegung festgelegt ist, und einen Schwinger der Masse M aufweist, wobei der Schwinger we- nigstens den Anker und die magnetische Einheit umfasst, und wobei der Energiespeicher durch eine definierte Proportiona ^¬ litätskonstanten k gekennzeichnet ist, und wobei die Eigen ^¬ frequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proporti- onal zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitätskonstanten k ist. Insbesondere gilt zusätzlich, dass die halbe

Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsge ^¬ schwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maxi ^¬ malamplitude A ist. Die Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers ist insbesondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch eine geeignete Auslegung des mechanischen Energiespei ^¬ chers die Schaltgeschwindigkeit genau eingestellt werden kann. Liegt die zweite Halteposition insbesondere im bzw. na ^¬ he dem Umkehrpunkt der Schwingung, verlangsamt der Anker dort dementsprechend seine Geschwindigkeit, wodurch insbesondere die Abbremsbeschleunigung und damit die Schockbelastung der Mechanik deutlich vermindert werden kann, was eine längere Lebensdauer bei preiswerteren Komponenten ermöglicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Magnetaktor. Des Weiteren ist wenigstens ein Kondensator und wenigstens eine magnetische Aktuierungs-Einheit umfasst. Die magnetische Einheit ist eine elektromagnetische Einheit, insbesondere eine Spule. Des Wei ^¬ teren ist eine Elektronikeinheit umfasst, wobei die Elektro- nikeinheit ausgestaltet ist, den Kondensator mittels elektri ^¬ schem Strom zu laden, der durch die Bewegung des Ankers und der mit dem Anker verbundenen magnetischen Einheit in der magnetischen Aktuierungs-Einheit induzierbar ist. Insbesonde ^¬ re ist die magnetische Einheit ein Permanentmagnet. Dabei ist der Kondensator, zur Pufferwirkung, als elektrischer Energiespeicher ausgestaltet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass der durch die Ankerbewegung in den Spulen induzierte Strom gespeichert werden kann und im gleichen oder im nächsten Bewegungsvorgang wieder zur Verfügung gestellt wer- den kann. Somit können der mechanische Energiespeicher und der Kondensator als elektrische Energiespeicher gekoppelt werden. Das bietet insbesondere den weiteren Vorteil, dass Reibungsverluste und Energieverluste durch Wirbelstromdämp ^¬ fung ausgeglichen werden können.

Beispielsweise ist die Vorrichtung mit einem Anker ausgestat ^¬ tet, der ein stabförmiges Element aufweist und mit einem Ge ^¬ häuse ausgestattet, das wenigstens einen Führungsdurchlass für das stabförmige Element des Ankers aufweist, und der An ^¬ ker ist innerhalb des Gehäuses mittels des stabförmigen Ele ^¬ ments führbar. Diese zweckdienliche Ausgestaltung der Erfindung bietet den Vorteil, dass die Vorrichtung eine kompakte Bauweise aufweisen kann und über das stabförmige Element außerhalb der Vorrichtung einen Anschlusspunkt für die

Schalteinheit zur Verfügung stellt. Insbesondere können über die stabförmige Einheit ein oder mehrere Vakuumschaltröhren angeschlossen werden. Beispielsweise können die Vakuumschalt ^¬ röhren oder Mittelspannungsschaltanlagen oder Leistungsschalter, insbesondere Lasttrennschalter, über geeignete Kraft ^¬ übertragungseinrichtungen angeschlossen werden. Geeignete Kraftübertragungseinrichtungen können Hebel oder Wellen sein.

Zweckdienlich ist eine Schaltanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer vorteilhaften Ausführung davon mit einer Schalteinheit. Insbesondere weist die Schalteinheit meh ^¬ rere Leistungsschalter auf. Dabei kann die Schalteinheit so mit dem Magnetaktor und dem mechanischen Energiespeicher angeordnet sein, dass sie mit dem Anker verbunden ist. Insbe ^¬ sondere sind die Schalteinheit und der mechanische Energie ^¬ speicher auf sich gegenüber liegenden Seiten des Magnetaktors angebracht. Die Vorrichtung kann also beispielsweise so aus ^¬ gestaltet sein, dass auf der einen Seite des Magnetaktors der mechanische Energiespeicher angebracht ist, und auf der ge ^¬ genüber liegenden Seite des Magnetaktors die Schalteinheit angebracht ist. Insbesondere kann somit der Anker in Form des stabförmigen Elements durch den mechanischen Energiespeicher, den Magnetaktor und die Schalteinheit geführt sein. Insbesondere können somit die Federn in den Vakuumschaltröhren oder Leistungsschaltern in Summe als zweiter mechanischer Energiespeicher dienen. Insbesondere ist auch der erste mechanische Energiespeicher in Form einer Druckfeder realisiert. Alternativ kann der mechanische Energiespeicher ein Gasdruckspeicher sein, der durch Kompression einer Gassäule kinetische Energie in potentielle Energie umsetzt. Beispielsweise kann der me- chanische Energiespeicher auch Blattfedern oder Tellerfedern umfassen. Alternativ kann der mechanische Energiespeicher mit Torsionsfedern, z. B. auf einem Hebel, realisiert sein. Eine weitere Alternative stellen Drehstabfedern, Elastomerfedern oder Evolutfedern dar. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher auch Ringfedern umfassen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung des zu aktuierenden Schalters. Die Betätigungseinrichtung kann beispielsweise selbst einen mechanischen Energiespeicher umfassen. Beispielsweise kann der mechanische Energiespeicher ein Federspeicher sein. Dieser kann so ausgestaltet sein, dass eine Notöffnung durch Handbetätigung möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass z. B. im Falle eines Stromausfalls die magnetische Haltekraft, insbesondere der magnetischen Einheit, beispielsweise eines Permanentmagneten, durch einen Hebel überwunden werden kann. Die Betätigungseinrichtung zur manuellen Öffnung kann also beispielsweise einen Hebel umfassen. Die Betätigungseinrichtung ist zweckdienlicherweise so ausgestaltet, dass der Magnetaktor trotz fehlender Aktivierungskraft durch die magnetische Aktuierungs-Einheit lediglich durch die mechanische Energie in dem mechanischen Energiespeicher den Schalter öffnet, d.h. beispielsweise eine volle Halbschwingung ausführt und im Zustand der Stromtrennung der Schalter wieder einrastet.

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dient zur Aktuierung wenigstens eines Schalters und umfasst wenigstens einen Aktuierungsvorgang, einen ersten und einen zweiten Hal- tezustand. Der Aktuierungsvorgang umfasst die Bewegung des

Ankers mit der magnetischen Einheit. Während des ersten Hal- tezustands wird auf den Anker eine magnetische Haltekraft ausgeübt. Zusätzlich wird auf den Anker eine mechanische Kraft ausgeübt, die richtungsmäßig der magnetischen Halte ^¬ kraft entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magneti ^¬ sche Haltekraft ist. Während des zweiten Haltezustands wird auf den Anker eine mechanische Kraft ausgeübt, die der mecha- nischen Kraft des ersten Haltezustands richtungsmäßig entge ^¬ genwirkt, so dass die wiederum richtungsmäßig der magneti ^¬ schen Haltekraft des zweiten Haltezustands entgegenwirkt, je ^¬ doch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft des zweiten Haltezustands ist. Für den Aktuierungsvorgang wird in einem vorgebbaren Zeitintervall eine magnetische Aktuie- rungskraft auf den Anker ausgeübt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt. Die zusätzliche Beschleunigung des Aktors mit dem zusätzlichen mechanischen Energiespeicher hat den Vorteil, stark beschleunigte Schaltvorgänge zu ermög ^¬ lichen. Somit kann ein Elektrodenabbrand der Schaltelektroden vermieden werden, der beispielsweise in bisherigen Lasttrennschaltern dadurch entstand, dass bei zu geringer Schaltge- schwindigkeit auf kurzen Distanzen zwischen den Schaltelekt ^¬ roden Lichtbögen ausgebildet werden, die das Elektrodenmate ^¬ rial schädigen. Mittels der erfindungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung können die Kosten im Hinblick auf die Wartung reduziert werden.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung der Vorrichtung zur Aktuierung wenigstens eines Schalters einen Aktuierungsvorgang, der die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit umfasst, wobei die Bewe- gung eine Schwingungsgleichung mit Eigenfrequenz ω erfüllt. D.h., die Bewegung des Ankers ist mit einer Bewegungsglei ^¬ chung, insbesondere einer Schwingungsgleichung, beschreibbar. Die Eigenfrequenz ω ist charakteristisch für das schwingende System. Die Eigenfrequenz ω erfüllt insbesondere folgenden Zusammenhang: Die Eigenfrequenz ω ist indirekt proportional zur Maximalamplitude A des Schwingers, wobei die Maximalamp ^¬ litude A durch die Abmessungen des Gehäuses und die dadurch bedingte Einschränkung der Bewegung des Ankers innerhalb des Gehäuses festgelegt ist. Insbesondere legen die Eigenfrequenz ω und die Maximalamplitude A die Schaltgeschwindigkeit fest. Insbesondere ist die durchschnittliche Geschwindigkeit des Ankers v gleich der Schaltgeschwindigkeit der Schalteinheit.

Die Vorrichtung ist beispielsweise so ausgestaltet, dass wäh ^¬ rend eines Aktuierungsvorganges ein schwingungsfähiges System vorliegt, wobei die Ankermasse den Schwinger darstellt, und der mechanische Energiespeicher, der insbesondere eine Feder ist, sowie das magnetische System aus der ersten und magneti ^¬ schen Einheit, insbesondere einem Elektromagneten und einem Permanentmagneten, den Erreger des mechanischen Schwingungssystems darstellen. Insbesondere kann der mechanische Ener ^¬ giespeicher auch aus mehreren Federn aufgebaut sein. Zweck- dienlicherweise ist das schwingungsfähige System aus mechani ^¬ schem Energiespeicher, magnetischem System und Anker so ausgelegt, dass es eine Eigenfrequenz ω besitzt, die folgende Gleichung erfüllt: ω = 2π—

A

Dabei ist v die durchschnittliche Geschwindigkeit des Ankers, die wiederum proportional ist zur gewünschten Maximalge ^¬ schwindigkeit v _max entsprechend der Formel

A ist die Amplitude der Schwingung, d.h., beispielsweise die maximale Auslenkung des Ankers innerhalb des Gehäuses. Die Amplitude A kann also beispielsweise die halbe Entfernung zwischen erster und zweiter Bodenplatte des Gehäuses sein. Die Eigenfrequenz ω kann beispielsweise über die Proportio ^¬ nalitätskonstante k des mechanischen Energiespeichers und über die Masse M des Ankers festgelegt sein, nach folgender Gleichung:

Die Proportionalitätskonstante k des mechanischen Energie ^¬ speichers ist beispielsweise die Federkonstante der Feder oder des Federsystems des Energiespeichers. Die Masse M ist beispielsweise die Masse des Ankers bzw. der gesamten beweg ^¬ ten Masse, also aller Massen, die in Verbindung mit dem Anker bewegt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verwendung der Vorrichtung einen Aktuierungsvor- gang, in dem der Anker mit der magnetischen Einheit bewegt wird, und die Bewegung eine Schwingungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω erfüllt, wobei die Eigenfrequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proportional zur Quadrat ^¬ wurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitätskonstanten k ist, sowie zusätzlich gilt dass die halbe Schwingungsperiode des Sys ^¬ tems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maximalamplitude A ist, die ins ^¬ besondere gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schalters ist. Über die Bewegung des Ankers ist die Geschwindigkeit v auch beispielsweise gleich der Schaltgeschwindigkeit des Schal- ters . Ein Vorteil einer derartigen resonanten Auslegung der

Vorrichtung zur Aktuierung ist die Reduzierung der benötigten elektrischen Energie, da die magnetische Aktuierungs-Einheit , insbesondere der Elektromagnet, lediglich die Energieverluste aufgrund von Reibung und Wirbelströmen ausgleichen muss. So- mit liegt ein Vorteil in der Möglichkeit eine preiswertere und wartungsärmere Ansteuerungselektronik, insbesondere in ^¬ klusive Kondensator zu verwenden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ei- ne Verwendung der Vorrichtung zur Aktuierung wenigstens eines Schalters, wobei der Aktuierungsvorgang die Bewegung des Ankers mit der magnetischen Einheit, die insbesondere ein Per- manentmagnet ist, relativ zur magnetischen Aktuierungs- Einheit, die insbesondere eine Spule ist, umfasst. Des Weite ^¬ ren kann der Aktuierungsvorgang die Induktion eines elektrischen Stroms in der magnetischen Aktuierungs-Einheit und den Ladevorgang eines Kondensators sowie die Speicherung elektrischer Energie umfassen. Insbesondere bewirkt die Bewegung der magnetischen Einheit relativ zur magnetischen Aktuierungs- Einheit die Induktion des elektrischen Stroms in der magneti ^¬ schen Aktuierungs-Einheit. Der induzierte elektrische Strom kann den Kondensator laden, wobei der Kondensator zur Pufferwirkung als elektrischer Energiespeicher dienen kann. Beispielsweise können ein Kondensator oder mehrere Kondensatoren elektrische Energie vorhalten, die zur Pufferung der Ankerbe ^¬ wegung dienen kann. Bei der Ankerbewegung muss z. B. eine Dämpfung durch Reibung und/oder Wirbelströme ausgeglichen werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Kondensator oder können mehrere Kondensatoren so mit dem mechanischen Energiespeicher gekoppelt werden, dass ein elektrome- chanisches Schwingungssystem vorliegt. Insbesondere wird der in den Spulen induzierte Strom aus der Bewegung des Ankers gespeichert und im gleichen oder nächsten Bewegungsvorgang dem Anker wieder zur Verfügung gestellt.

Beispielsweise umfasst die Verwendung der Vorrichtung die Speicherung mechanischer Energie in dem mechanischen Energiespeicher und die Speicherung elektrischer Energie in den Kondensator, wobei die beiden Speichervorgänge zu einem elektro- mechanischen Schwingungssystem gekoppelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Aktuierung wenigs ^¬ tens eines Schalters, wobei in einem Haltezustand eine mecha ^¬ nische Kraft auf einen magnetischen aktuierbaren Anker wirkt, die richtungsmäßig einer magnetischen Haltekraft auf den An ^¬ ker entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magneti ^¬ sche Haltekraft ist, und für einen Aktuierungsvorgang ein Ak- tuierungsmagnetfeld erzeugt wird, das der magnetischen Halte ^¬ kraft auf den Anker richtungsmäßig entgegenwirkt, so dass die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Ak- tuierungskraft betragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und somit den Anker beschleunigt. Die Nutzung einer zusätzlichen mechanischen Kraft hat den Vorteil, dass die benötigte elektrische Energie zur Aktuierung minimiert werden kann. Die Aktuierungskraft muss lediglich Energieverluste, z. B. aufgrund von mechanischer Reibung und/oder Dämpfung durch Wirbelströme, ausgleichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass in einem ersten Haltezu- stand die mechanische Kraft auf einen Anker wirkt, die rich ^¬ tungsmäßig der magnetischen Haltekraft entgegenwirkt und be ^¬ tragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft ist, so dass für einen Aktuierungsvorgang die Summe aus der mechanischen Kraft und aus der magnetischen Aktuierungskraft be ^¬ tragsmäßig größer ist als die magnetische Haltekraft und so ^¬ mit den Anker beschleunigt, während eines Aktuierungsvorgangs die mechanische Kraft auf den Anker einen Nullpunkt durch ^¬ läuft, um in einem zweiten Haltezustand der mechanischen Kraft in dem ersten Haltezustand richtungsmäßig entgegenzu ^¬ wirken, so dass die mechanische Kraft in dem zweiten Haltezu ^¬ stand wiederum der magnetischen Haltekraft in dem zweiten Haltezustand richtungsmäßig entgegenwirkt, jedoch betragsmä ^¬ ßig kleiner als die magnetische Haltekraft in dem zweiten Haltezustand ist.

Die mechanische Kraft auf den Anker durchläuft während eines Aktuierungsvorgangs einen Nullpunkt, was durch unterschiedli ^¬ che Aus führungs formen der Vorrichtung realisiert werden kann: Ein Beispiel für eine erste Realisierung ist ein einzelner mechanischer Energiespeicher, der durch beide Bewegungsrichtungen des Ankers Energie aufnehmen kann und in beide Richtungen der Ankerbewegung eine Kraft auf den Anker ausüben kann. Beispielsweise umfasst ein derartiger mechanischer Energiespeicher eine Druckfeder, die in der ersten Halteposition bzw. dem ersten Haltezustand, in gestreckter Richtung vorgespannt ist. Während der Ankerbewegung z. B. entspannt sich die Feder und in der zweiten Halteposition bzw. dem zweiten Haltezustand liegt die Feder in gestauchter Form vor. Eine weitere Aus führungs form kann mit zwei mechanischen Energiespeichern versehen sein, die beispielsweise beidseitig des Magnetaktors angebracht sind. Dabei ist für eine erste Halte- position bzw. einen ersten Haltezustand der erste mechanische Energiespeicher geladen und das der zweite Energiespeicher entladen, wobei sich im Laufe eines Aktuierungsvorgangs der erste Energiespeicher entlädt und der zweite Energiespeicher geladen wird. Insbesondere können die Energiespeicher Federn sein, beispielsweise Blattfedern, Tellerfedern, Torsionsfedern, Drehstabfedern, Elastomerfedern, Evolutfedern oder Ringfedern, wobei ein Energiespeicher aus einer Feder oder auch aus mehreren Federn zusammengesetzt sein kann. Lade- und Entladevorgänge des mechanischen Energiespeichers entsprechen also dem Dehnen bzw. Stauchen und Entspannen von Federn. Alternativ ist eine Ausführung des mechanischen Energiespeichers als Gasdruckspeicher möglich. In einer weiteren Ausführungsform kann der zweite mechanische Energiespeicher in Form der Schalteinheit vorliegen. Dabei stellen die Federn an der Schalteinheit, z. B. die Federn in den Vakuumschaltröhren oder die Federn in den Leistungsschaltern, den mechanischen Energiespeicher dar. Die Proportionalitätskonstante des ers ^¬ ten Energiespeichers kann dann vorteilhafterweise auf die Proportionalitätskonstante des zweiten mechanischen Energie- Speichers, der in Form der Schalteinheit vorliegt, angepasst werden .

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren, wobei der Aktuierungsvorgang eine Bewegung des An- kers mit der magnetischen Einheit umfasst, die eine Schwin ^¬ gungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω erfüllt. Dabei ist die Eigenfrequenz ω des schwingungsfähigen Systems indirekt proportional zur Quadratwurzel der Masse M des Schwingers und direkt proportional zur Quadratwurzel der Proportionalitäts- konstanten k ist, sowie zusätzlich gilt dass die halbe

Schwingungsperiode des Systems, die umgekehrt proportional zu ω ist, demnach umgekehrt proportional zur Durchschnittsge ^¬ schwindigkeit v des Ankers und direkt proportional zur Maxi- malamplitude A ist, die insbesondere gleich der Schaltge ^¬ schwindigkeit des Schalters ist.

Vorteilhafterweise erfüllt die Eigenfrequenz ω folgende Gleichung : worüber eine gewünschte durchschnittliche Schaltgeschwindig ^¬ keit v eingestellt werden kann. Insbesondere ist die Schalt ^¬ geschwindigkeit bzw. die Aktuierungsgeschwindigkeit abhängig von der Masse M des Ankers und von der Proportionalitätskonstante k des mechanischen Energiespeichers. Die Maximalampli ^¬ tude A ist über die Gehäuseabmessungen einstellbar. Dabei kann das Gehäuse zweckdienlicherweise mehrteilig ausgeführt sein, wobei zumindest eine Gehäusewand, eine erste Bodenplat ^¬ te und eine zweite Bodenplatte umfasst sind. Zweckdienlicher ^¬ weise ist das Gehäuse als weichmagnetisches Joch ausgeführt. Beispielsweise sind in der Gehäusewand eine erste und eine zweite magnetische Einheit enthalten, insbesondere Aktuie- rungsspulen. Die magnetischen Einheiten können insbesondere aus Kupferdraht sein. Beispielsweise kann die Gehäusewand ein Zylinder sein. Die Anordnung des Ankers im Gehäuse kann beispielsweise so erfolgen, dass er in der ersten Halteposition in Kontakt mit der ersten Bodenplatte des Gehäuses liegt und in der zweiten Halteposition in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte des Gehäuses liegt. Zweckdienlicherweise sind die Form des Gehäuses und des Ankers aufeinander abgestimmt. Bei ^¬ spielsweise ist auch der Anker zylinderförmig ausgeführt. Beispielsweise ist die magnetische Einheit auf dem Anker ein Permanentmagnet. Dieser kann auch wiederum zylinderförmig ausgeführt sein. Alternativ können auch zwei Permanentmagnete auf die Stirnflächen des Ankers aufgebracht werden. Alterna ^¬ tiv können die Permanentmagnete beispielsweise auch am äuße ^¬ ren Gehäuse angebracht werden. Beispielsweise können sie an den Bodenplatten angebracht werden. Auch können sie z.B. radial am äußeren Gehäuse angebracht werden, dem Anker gegen- übergesetzt. Vorteilhafterweise werden im Gehäuse zwei magne ^¬ tische Einheiten, insbesondere zwei Aktuierungsspulen verwendet. Für eine Aus führungs form mit nur einer magnetischen Einheit im Gehäuse ist eine asymmetrische Ausführung des Gehäu ^¬ ses und/oder des Ankers vorteilhaft.

Der bistabile Magnetaktor besteht aus einem Anker und mindes ^¬ tens einer auf dem Anker aufgebrachten magnetischen Einheit. Die magnetische Einheit kann beispielsweise ein Permanentmag ^¬ net sein. Alternativ können auf dem Anker mehrere Permanentmagnete aufgebracht sein. Des Weiteren umfasst der bistabile Magnetaktor ein Gehäuse, das den Anker umgibt. Zweckdienlicherweise ist das Gehäuse als weichmagnetisches Joch ausgestal ^¬ tet, was den magnetischen Kreis schließt. Insbesondere um ^¬ fasst das Gehäuse mindestens eine magnetische Einheit, die zur Aktuierung des Ankers dient. Diese magnetische Einheit ist beispielsweise eine Aktuierungsspule . Alternativ können auch mehrere Aktuierungsspulen in dem Gehäuse umfasst sein. Zweckdienlicherweise sind zwei Aktuierungsspulen für die zwei Haltepositionen des Ankers im Gehäuse umfasst. Beispielsweise sind die Spulen aus Kupferdraht. Der Anker wird entlang einer Achse im Gehäuse bewegt. Die Permanentmagnete auf dem Anker können radial an dem Anker angebracht sein oder alternativ an den Stirnflächen des Ankers. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete muss auf deren Anbringung angepasst sein. Beispielsweise werden auf die Stirnflächen des Ankers axial- magnetisierte Permanentmagnete aufgebracht. Die Stirnflächen des Ankers sind die Flächen, die in den Haltepositionen an den Bodenplatten anliegen. Der Anker kann beispielsweise quaderförmig ausgestaltet sein. Der Anker kann hohl sein. Der Anker kann beispielsweise zylinderförmig ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist die Ankerform der Gehäuseform ange ^¬ passt. In einer beispielhaften Aus führungs form wird nur eine magnetische Einheit zur Aktuierung, d.h. beispielsweise eine Aktuierungsspule, verwendet, wobei dann die Jochteile des Ge ^¬ häuses asymmetrisch auszuführen sind, um den Magnetkreis an die geänderten Haftungskräfte anzupassen. Der mechanische Energiespeicher ist vorzugsweise so auszufüh ^¬ ren, dass in einer Halteposition des Ankers die mechanische Kraft nicht die magnetische Haltekraft übersteigt.

Vorteilhafterweise sind die zur Aktuierung verwendeten magne ^¬ tischen Einheiten Aktuierungsspulen. Für die Auslösung eines Schaltvorgangs werden die Aktuierungsspulen während eines de ^¬ finierten Zeitintervalls mit Strom beaufschlagt. Dieses Zeit ^¬ intervall beträgt vorzugsweise einige Millisekunden. Das Zeitintervall kann beispielsweise auf maximal 30 ms be ^¬ schränkt sein. Durch den Strom in den Spulen wird ein Magnetfeld erzeugt. Die Richtung des Magnetfelds ist von der Strom ^¬ richtung abhängig. Somit kann beispielsweise mittels einer Spule die Ablösung des Ankers von der Bodenplatte bewirkt werden. Insbesondere wirkt durch das erzeugte Magnetfeld eine magnetische Aktuierungskraft auf den Anker. Diese addiert sich z B. zu der mechanischen Kraft des mechanischen Energiespeichers. Dieser mechanische Energiespeicher ist beispiels ^¬ weise eine Feder, die im anfänglichen Haltezustand gespannt vorliegt. Die gespeicherte potentielle Energie kann dann in kinetische Energie des Ankers und in kinetische Energie der beweglichen Teile der Schalteinheit überführt werden. Nach der Ablösung des Ankers von der Bodenplatte nehmen die Mag ^¬ netkräfte auf den Anker stark, nicht linear ab. So wird bei ^¬ spielsweise nach der anfänglichen Überwindung der magnetischen Haltekraft der Anker stark beschleunigt.

Vorteilhafterweise können mechanische Reibungsverluste und/oder eine Dämpfung durch Wirbelströme ausgeglichen werden, indem eine magnetische Einheit in dem Gehäuse, insbeson ^¬ dere eine zweite Aktuierungsspule, so mit Strom beaufschlagt wird, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld die Haltekraft der magnetischen Einheit am Anker unterstützt und so den Anker bei Annäherung an die gegenüber liegende Bodenplatte des Ge ^¬ häuses in seiner Bewegung noch beschleunigt.

Die Bewegung des Ankers wird beispielsweise durch die Kraft eines zweiten mechanischen Energiespeichers abgebremst. Die- ser kann wiederum eine Feder enthalten oder sein. Alternativ liegt der zweite mechanische Energiespeicher in Form der Schalteinheit vor, wobei die Federn an den Schaltröhren den mechanischen Energiespeicher bilden. Durch den Abbremsvorgang kann die kinetische Energie wieder in potentielle Energie um ^¬ gesetzt werden. Das Einrasten des Ankers in der zweiten Halteposition kann wiederum aufgrund magnetischer Haltekräfte passieren. Die Stirnfläche des Ankers ist dann in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte des Gehäuses. In dem mechanischen Energiespeicher ist wieder ein Ausgangspunkt erreicht, indem mechanische Energie vorgehalten wird.

Aus führungs formen der vorliegenden Erfindung werden in exem- plarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 der ange- hängten Zeichnung beschrieben:

Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung mit dem Magnetaktor und einem mechanischen Energiespeicher.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer Aus führungs form der

Vorrichtung mit dem Anker in einer ersten Halteposition .

Figur 3 zeigt einen Querschnitt der Aus führungs form der Erfindung wie in Figur 2 mit dem Anker während des Ak- tuierungsvorgangs .

Figur 4 zeigt einen Querschnitt der Aus führungs form der Erfindung wie in Figur 2 mit dem Anker in der zweiten Halteposition .

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der magneto-mechanische Aktor einen mechanischen Energiespei ^¬ cher 20 mit einer Feder 26, eine elektromagnetische Einheit 18a/b in Form einer Spule und einen Permanentmagneten 16. Der mechanische Energiespeicher 20 übt in der ersten Halteposition eine mechanische Feder-Kraft F _mec auf den Anker 17 aus, die richtungsmäßig der magnetischen Haltekraft F^ entgegenwirkt und betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft F^ ist, so dass im Fall eines Aktuierungsvorgangs die Summe aus der Feder-Kraft F _mec und aus einer elektromagnetischen Aktuie- rungskraft die magnetische Haltekraft F^ des Permanent ^¬ magneten 16 überwunden wird, in einer Position des Ankers 17 während eines Aktuierungsvorgangs keine Kraft auf den Anker 17 ausgeübt wird, und in einer zweiten Halteposition eine Feder-Kraft F _mec ,2 auf den Anker 17 ausgeübt wird, die der Fe ^¬ der-Kraft F _mec in der ersten Halteposition richtungsmäßig ent ^¬ gegengesetzt ist, so dass diese wiederum der magnetischen Haltekraft F^^ in der zweiten Halteposition entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die magnetische Haltekraft F _mec ,2 in der zweiten Halteposition ist. Kraftbetrag und - richtung der elektromagnetischen Einheit 18a/b sind insbesondere über die Bestromung, d.h. Stromrichtung und Stromstärke, der Spule variierbar.

Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabgetreu ^¬ en Abbildungen dar. Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel einer Aus führungs form der Vorrichtung sind ein Magnetaktor 10 und ein mechanischer Energiespeicher 20 gezeigt. Der mechani- sehe Energiespeicher 20 ist seitlich an den Magnetaktor 10 angebracht. Der Magnetaktor ist symmetrisch ausgeführt und umfasst ein Gehäuse, welches aus einer zylinderförmigen Ge ^¬ häusewand 12, einer ersten Bodenplatte IIa und einer zweiten Bodenplatte IIb aufgebaut ist. Das Gehäuse ist aus einem weichmagnetischen Material. Die Bodenplatten lla/b stellen somit die Seitenwände des Gehäuses 12 dar. Die Bodenplatten lla/b weisen Führungsdurchlässe für den Stab 14 auf. Der An ^¬ ker (17) ist innerhalb des Gehäuses (lla/b, 12) mittels des Stabs (14) führbar. Der Stab 14, an dem der Anker 17 ange- bracht ist, verläuft auf der Rotationsachse des Gehäuses. Der Anker 17 wiederum ist zylindrisch ausgeführt. Radial um den Anker 17 herum ist ein wiederum zylinderförmiger Permanentmagnet 16 angebracht. Der Permanentmagnet 16 ist radial mag- netisiert. In der Gehäusewand 12 sind zwei Aktuierungsspulen 18a/b eingeschlossen. Diese sind so angebracht, dass der An ^¬ ker 17 in einer Halteposition mit der an der ersten Bodenplatte IIa anliegenden Stirnseite innerhalb der Aktuie- rungsspule 18a liegt. Der Stab 14, der mit dem Anker 17 ver- bunden ist, wird durch die Führungsdurchlässe in den Boden ^¬ platten lla/b des Gehäuses 12 aus dem Gehäuse 12 herausge ^¬ führt. Auf der einen Seite des Gehäuses 12 kann an dem Stab 14 die Schalteinheit angebracht werden, z. B. über eine ge- eignete Kraftübertragungseinrichtung, wie z. B. einen Hebel. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt der Stab 14 aus dem Gehäuse 12 aus und tritt in den mechanischen Energiespeicher 20 ein. In dem mechanischen Energiespeicher ist der Stab 14 mit der Druckfeder 26 verbunden. Der mechanische Energiespei- eher 20 weist weiter einen Teller 24 auf, der fest mit dem

Stab 14 verbunden ist. Der Teller 24 schlägt nach der Aktuie- rungsbewegung an einer Anschlagscheibe 25 an. Die Druckfeder 26 ist der mechanische Energiespeicher 20. Die Druckfeder 26 ist in gespanntem Zustand, d.h. in einer ersten Haltepositi- on, gezeigt.

Vorzugsweise wird der Anker 17 zylindrisch ausgeführt und darauf radial magnetisierte Permanentmagnete 16 aufgebracht. Vorzugsweise ist auch das den Anker 17 umgebende Gehäuse zy- lindrisch ausgeführt. Das Gehäuse weist vorzugsweise zwei Bo ^¬ denplatten lla/b aus einem weichmagnetischen Material auf, die für den Schluss des magnetischen Kreises sorgen, solange der Anker 17 sich in Kontakt mit den Bodenplatten lla/b befindet. Der Anker 17 befindet sich in Kontakt mit einer der Bodenplatten lla/b, solange die auf den Anker 17 wirkenden Kräfte ihn in dieser Position halten.

Figur 2 zeigt den Magnetaktor 10 mit dem Anker 17 in einer ersten Halteposition in vereinfachter Darstellung. Der Anker 17 ist in Kontakt mit der ersten Bodenplatte IIa. Die magne ^¬ tische Haltekraft des Permanentmagneten 16 auf den Anker 17 wirkt in Richtung der Bodenplatte IIa. Der Anker 17 hat eine Masse M. Die mechanische Kraft F _mec des mechanischen Energie ^¬ speichers wirkt entgegen der magnetischen Haltekraft F^, ist jedoch betragsmäßig geringer als die magnetische Haltekraft Fm _H und kann deshalb in der Halteposition den Anker 17 nicht von der Bodenplatte IIa ablösen. Zum Ablösen des Ankers 17 von der Bodenplatte IIa ist eine zusätzliche Kraft notwendig. Die Bestromung der Aktuierungsspule 18a bewirkt ein magneti ^¬ sches Feld, worüber auf den Anker 17 eine zusätzliche magne ^¬ tische Aktuierungskraft F^ ausgeübt wird. Diese kann be ^¬ tragsmäßig sehr viel geringer als die mechanische Kraft F _mec sein, da nur die Netto-Haltekraft F^ - F _mec überwunden werden muss. Die magnetische Aktuierungskraft F^ ist auch zeitlich auf das Ablösen des Ankers 17 von der Bodenplatte IIa be ^¬ schränkt. Ist die initiale Ablösung erfolgt, fällt die magne ^¬ tische Haltekraft F^ durch den Permanentmagneten 16 rasch ab und der Anker 17 wird in die zweite Halteposition beschleunigt, d.h., auf die zweite Bodenplatte IIb zubewegt. Die Be ^¬ schleunigung erfolgt dabei im Wesentlichen durch die mechanische Kraft F _mec · Der Anker 17 überwindet innerhalb des Gehäu ^¬ ses 12 eine Strecke von zwei Maximalamplituden 2A. Die Bewe- gung des Ankers 17 ist als Schwingung beschreibbar. Die

Schwingungsamplitude ist dann die Strecke A, d.h. die Hälfte der Innenabmessung des Gehäuses 12.

In Figur 3 ist der Magnetaktor 10 gezeigt, in dem sich der Anker 17 in Bewegung, d.h. in einem Aktuierungsvorgang, befindet. Der Anker 17, mit Masse M, wird mit einer veränderlichen Geschwindigkeit v von einer ersten Halteposition, wo er in Kontakt mit der ersten Bodenplatte IIa ist, in eine zweite Halteposition bewegt, in der er in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte IIb ist. Die Masse M des Ankers und die Amplitude A, die durch die Gehäuseinnenmaße festgelegt ist, legen die Eigenfrequenz ω des Schwingungssystems mit dem Anker 17 als Schwinger fest. Darüber ist auch die Geschwindigkeit des Be ^¬ wegungsvorgangs des Ankers festlegbar. Während eines Aktuie- rungsvorgangs durchläuft die mechanischen Kraft F _mec auf den

Anker 17 einen Nullpunkt um in einem zweiten Haltezustand der mechanischen Kraft F _mec in dem ersten Haltezustand richtungs ^¬ mäßig entgegen zu wirken, so dass die zweite mechanische Kraft F _mec ,2 in dem zweiten Haltezustand wiederum der zweiten magnetischen Haltekraft F^^ in dem zweiten Haltezustand richtungsmäßig entgegenwirkt, jedoch betragsmäßig kleiner als die zweite magnetische Haltekraft F^^ in dem zweiten Halte ^¬ zustand ist. Figur 4 zeigt den Magnetaktor 10 mit einem Anker 17 in einer zweiten Halteposition, wo der Anker 17 in Kontakt mit der zweiten Bodenplatte IIb ist. In dieser Halteposition wirkt wiederum eine magnetische Haltekraft F^^ des Permanentmagne ^¬ ten 16 auf den Anker 17 in Richtung der zweiten Bodenplatte IIb. Die mechanische Kraft F _mec ,2 ist entgegengesetzt zu der magnetischen Haltekraft F^^, jedoch betragsmäßig geringer, so dass der Anker 17 in der Halteposition verbleibt. Die mechanische Kraft F _mec ,2 in der zweiten Halteposition kann von dem mechanischen Energiespeicher 20 herrühren. Alternativ kann ein zweiter mechanischer Energiespeicher die mechanische Kraft in der zweiten Halteposition ausüben, beispielsweise Federn im Leistungstrennschalter. Für den rückwärtigen Aktu- ierungsvorgang von der zweiten in die erste Halteposition wird wiederum für ein kurzes Zeitintervall ein Aktuierungs- magnetfeld erzeugt. Das Aktuierungsmagnetfeld wird durch die Spule 18b erzeugt.