Beschreibung

Schaltvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit einem beweglichen Kontakt zum Schließen und öffnen eines Stromkreises.

Eine derartige Schaltvorrichtung ist bei Relais und Schützen bekannt, bei denen üblicherweise die Schalterkontakte durch einen elektromagnetischen Reluktanzantrieb betätigt werden. Es existieren mono- und bistabile Ausführungen, deren Anforderungen an Schockfestigkeit, Rückdruck- und Schließkräfte mithilfe von Zug- und Rückdruckfedern realisiert werden.

Andererseits ist bekannt, dass bestimmte Formgedächtnislegierungen magnetsensitiv sind und bei Durchdringung mit einem Magnetfeld eine Längenänderung erfahren. Die bei der Längenänderung erzeugte Kraft kann grundsätzlich als Antriebskraft genutzt werden. Die bekannten magnetischen Formgedächtnislegierungen zeigen technisch verwendbares Längenänderungsverhalten nur in starken Magnetfeldern von mindestens 0,5 Tesla auf. Bei technischen Anwendungen wie der vorliegenden Schaltvorrichtung müssen hohe Ansteuerströme mit entsprechend hohem Energieverbrauch vermieden werden.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltvorrichtung der oben genannten Art vorzuschlagen, die einen magnetfeldsensitiven Antrieb aus magnetischer Formgedächtnis- legierung aufweist und die für den Haltebetrieb nur einen geringen Stromverbrauch zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Formgedächtnislegierung erfordert .

Die Aufgabe wird durch eine Schaltvorrichtung mit den Merkma- len gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei werden mit mindestens einem zusätzlichen Aktor technische Maßnahmen für den Haltebetrieb ermöglicht, die zumindest nur einen geringen Stromverbrauch verursachen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 11 zu entnehmen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 2 die magnetische Formgedächtnislegierung zum Schließen des Stromkreises dient.

Weiterhin ist es vorteilhaft gemäß Anspruch 3, wenn der Aktor als Magnet ausgeführt ist, der nach Schließen des Stromkreises durch den beweglichen Kontakt die geschlossene Position des beweglichen Kontakts dauerhaft bewirkt. Hierdurch wird ermöglicht, den Stromverbrauch im Haltebetrieb gering zu halten.

Ist der Magnet gemäß Anspruch 4 beweglich gelagert und zur Steuerung des die Formgedächtnislegierung durchdringenden Magnetfelds vorgesehen, ermöglicht Dies auf einfache Weise durch Veränderung des Magnetfelds zwischen der EIN- und AUS- Stellung der Schaltvorrichtung umzuschalten.

Ist der Magnet gemäß Anspruch 5 als Ferromagnet ausgeführt, lässt sich hiermit ein besonders starkes Magnetfeld in der Formgedächtnislegierung erzeugen .

Ist gemäß Anspruch 6 ein Antrieb vorgesehen, durch den die Lage des Magneten gemäß Anspruch 6 veränderbar ist, lässt sich hiermit die Umschaltung von der EIN- in die AUS-Stellung der Schaltvorrichtung auf komfortable Weise automatisch rea- lisieren.

Außerdem ist es von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 7 eine Platte vorgesehen ist, die die Antriebskraft der Formgedächtnislegierung an den beweglichen Kontakt im weiterleitet, da bei entsprechender Ausführung der Platte gemäß Anspruch 8 eine gleichmäßige Druckverteilung mit geringem Druck über die Platte aufgrund der Antriebskraft der Formgedächtnislegierung erfolgt.

Vorteilhafter Weise ist gemäß den Ansprüchen 10 und 11 zwischen dem beweglichen Kontakt und der Formgedächtnislegierung ein plattenförmiges Bauteil vorgesehen, das eine kleine Wär- meleitzahl und eine geringe Strahlungsabsorption aufweist, was einen Wärmeschutz gegen in Wärme umgewandelte Schaltenergie bewirkt.

Ist gemäß Anspruch 11 der Magnet als Elektromagnet ausge- führt, der im Haltebetrieb direkt auf den beweglichen Kontakt wirkt, kann während des Haltebetriebs auf den Antrieb durch die Formgedächtnislegierung verzichtet und ein zur Erzeugung eines für die erforderliche Längenänderung hohen Magnetfeldes entsprechend hoher Stromverbrauch vermieden werden.

Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einer magnetfeldsensitiven Formgedächtnislegierung und einer davon getrennten technischen Einrichtung zur Steuerung eines die Formgedächtnislegierung durchdringenden Magnetfeldes,

FIG 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalt- Vorrichtung nach FIG 1 in der AUS-Stellung mit einem beweglich gelagerten Magneten,

FIG 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung nach FIG 1 in der EIN-Stellung mit einem beweglich gelagerten Magneten, FIG 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung nach FIG 1 mit einem Magnetantrieb für den Haltebetrieb und FIG 5 eine Schaltung zur Erzeugung des Magnetfelds für die

Ansteuerung der Formgedächtnislegierung zum Schließen der Schaltvorrichtung in Verbindung mit dem Einschalten des Magnetantriebs nach FIG 4.

In FIG 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 1 mit einem beweglichen Kontakt 2 und zwei Festkontakten 3 zum Ein- und Ausschalten eines Stromkreises dargestellt. Die Schaltvorrichtung 1 weist einen magnetfeldsensitiven An- trieb aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung 4 auf, die auf den beweglichen Kontakt 2 eine Antriebskraft zum Schließen des Stromkreises ausübt. Der Antrieb wird in der Ruheposition mittels einer Feder 5, die am Gehäuse 6 abgestützt ist, mit einem Druck beaufschlagt, der die Funktion des Antriebs in zwei Richtungen sicherstellt. Zum optimalen

Betrieb des magnetfeldsensitiven Antriebs wird mithilfe einer Platte 7 sichergestellt, dass die Formgedächtnislegierung 4 gleichmäßig mit geringem Druck beaufschlagt wird. Dies lässt sich durch die Platte 7 mit hohem Elastizitätsmodul errei- chen, die die Oberfläche der Formgedächtnislegierung 4 in

Richtung der Kontakte 2,3 so weit technisch möglich abdeckt. Die Platte 7 ist zwischen der Feder 5 und der Formgedächtnis- legierung 4 angeordnet und treibt über eine Feder 8 den beweglichen Kontakt 2 an. Mittels eines plattenförmigen Bau- teils 9 mit kleiner Wärmeleitzahl und schlechter Strahlungsabsorption wird die Formgedächtnislegierung 4 möglichst vor Erwärmung durch in Wärme umgewandelte Schaltenergie geschützt .

Das steuernde Magnetfeld 10 in der Formgedächtnislegierung 4 wird mithilfe einer technischen Vorrichtung 11 erzeugt. Durch das steuernde Magnetfeld in der Formgedächtnislegierung 4 erfährt diese eine Längenausdehnung und bringt somit den beweglichen Kontakt 2 zum Schließen mit den Festkontakten 3. Dies erfolgt über die Feder 8, die die benötigte Kontaktkraft zum Führen des Stromes sicherstellt.

Um den Antrieb mit der magnetischen Formgedächtnislegierung 4 voll auszunutzen, muss das Magnetfeld diese möglichst homogen bei gleichzeitig hoher Feldstärke durchdringen. Dies kann durch geeignete Anordnung ferromagnetischer Bauteile zwischen der technischen Vorrichtung 11 zur Erzeugung der magnetischen

Erregung und der magnetischen Formgedächtnislegierung 4 erreicht werden.

Es ist keine Spule mit Eisenkreis vorgesehen, die zur aus- schließlichen Erzeugung des Magnetfelds in der für die notwendige Längenänderung der Formgedächtnislegierung 4 erforderlichen Höhe dient, um hiermit den Haltebetrieb zu bewirken. Hierfür wären dauerhaft hohe Ströme erforderlich, die einen unakzeptabel hohen Stromverbrauch zur Folge hätten, was aber durch die vorliegende Erfindung vermieden werden soll.

Stattdessen wird in dem folgenden Ausführungsbeispiel nach FIG 2 und 3 ein Aktor 12, hier ein beweglich gelagerter, fer- romagnetischer Permanentmagnet eingesetzt, dessen Lage durch einen Antrieb 16 veränderbar ist.

In der KontaktStellung AUS gemäß FIG 2 befindet sich der Permanentmagnet in der Lage, in der nur ein Bruchteil des Magnetfeldes des Permanentmagneten die Formgedächtnislegierung 4 durchdringt. Zum Einschalten, das heißt Schließen der Schaltvorrichtung wird mithilfe des Antriebs 16 eine Rotation des Permanentmagneten um 90° veranlasst. Dadurch wird die Formgedächtnislegierung 4 mit dem gesamten Magnetfeld des Permanentmagneten durchflutet und bringt den beweglichen Kontakt 2 zum Schließen mit den Festkontakten 3 gemäß FI 3. Der bewegliche Kontakt 2 fällt wieder ab, wenn der Permanentmagnet aktiv durch den rotatorischen Antrieb 16 in die Stellung AUS gebracht wird oder mithilfe eines Kraftspeichers, der bei Abfallen der SteuerSpannung den Magneten in Stellung AUS bringt. In beiden Fällen liegt wieder die in FIG 2 gezeigte Kontaktstellung vor.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4 wird der bewegliche Kontakt 2 von einem verhältnismäßig schwach dimen- sionierten konventionell Magnetantrieb als Aktor 12 eingefangen, der als Haltemagnet dient und den beweglichen Kontakt 2 in Stellung EIN hält, solange der Steuerstrom fließt. Nach dem ordnungsgemäßen Anziehen des Magnetantriebs wird während

des Dauerbetriebs, das heißt im Haltebetrieb, die Energie für die Erzeugung eines Magnetfeldes 10 zur Ansteuerung der Form- gedächtnislegierung 4 nicht weiter benötigt. Die technische Vorrichtung 11 kann daher beispielsweise durch einen vom HaI- temagneten elektromagnetisch gesteuerten Schalter von seiner Energieversorgung wie folgt beschrieben getrennt werden. Danach kann zur Erzeugung des Magnetfelds 10 für die Ansteuerung der Formgedächtnislegierung 4 die Schaltung gem. FIG 4 dienen. Hierbei wird eine konventionelle Spule mit Eisenkreis als technische Vorrichtung 11 verwendet, die über einen

Schalter 13 strommäßig versorgt wird. Der Zeitpunkt des Ab- schaltens dieser Spule wird mithilfe des Schalters 13 noch vor dem Ende des Schließvorgangs gelegt und mithilfe einer Freilaufdiode 14 der von der entstehenden Induktionsspannung getriebene hohe Strom benutzt, um das die FormgedächtnisIe- gierung 4 steuernde Magnetfeld 10 in die Größenordnung zu bringen, welche ein endgültiges Schließen der Kontakte 2,3 gewährleistet. Der Schalter 13 wird durch die Längenausdehnung der Formgedächtnislegierung 4 in einem Magnetfeld, das noch groß genug ist, um die Kontakte 2,3 zum Schließen zu bringen, geöffnet. Erst das sich durch dieses Abschalten ergebende Induktionsfeld ist groß genug, um die Kontakte 2,3 zum Schließen zu bringen. Diese werden schließlich durch den als Haltemagneten ausgeführten Aktor 12 dauerhaft in Stellung EIN gehalten. Der konventionelle Haltemagnet wird mithilfe des Schalters 15 eingeschaltet, der selbst über die Längenausdehnung der Formgedächtnislegierung 4 geschaltet wird.

Die in den Ausführungsbeispielen erläuterten Anordnungen er- möglichen es, die Baugröße eines Schützantriebes zu verkleinern. Durch die relativ hohe mechanische Vorspannung ist es nicht mehr nötig, einen Großteil des Anzugsweges für einen Sicherheitsabstand zur Gewährleistung von Schwing- und Schockfestigkeit zu reservieren, wie dies in konventionellen Relais und Schützen derzeit der Fall ist. Dies hält das Bauvolumen der Formgedächtnislegierung 4 klein. Ein Quader einer Formgedächtnislegierung 4 mit 2 cm ² Grundfläche und 8 cm Höhe reicht mit guter Sicherheit aus, um einen Schaltweg von 4 mm

bei 100 N Kraftbeaufschlagung zu gewährleisten. Die große Kraft der Formgedächtnislegierung ermöglicht es, die Stellwege über Hebel weiter zu vergrößern. Die in den Ausführungsbeispielen aufgezeigten technischen Lösungen für die Erzeugung des steuernden Magnetfelds haben ebenfalls bei vergleichbarer Leistung geringere Abmessungen als ein konventioneller Reluktanzantrieb.