Kopplungsglied für ein elektrisches Schaltgerät Die Erfindung betrifft ein Kopplungsglied für ein elektri ^¬ sches Schaltgerät nach dem Patentanspruch 1.

In Mittelspannungs- und Hochspannungsleistungsschaltern für Wechselspannung ist es notwendig, dass die elektrischen Kon- takte in der Lage sind, innerhalb einer Halbwelle zu öffnen oder zu schließen und dabei einen ausreichend großen Weg zu ^¬ rücklegen, um den notwendigen Isolationsabstand aufzubauen bzw. abzubauen. Ferner muss die Antriebseinheit beim Schlie ^¬ ßen der Schaltanlage in der Lage sein, im zulässigen Zeit- fenster eine geforderte Kontaktkraft aufzubauen und zu hal ^¬ ten. Beim Öffnen kann es durch partielles Verschweißen der beiden Elektroden bzw. der beiden Schaltkontakte zu einer erhöhten Trennkraft kommen, die durch die Antriebseinheit be ^¬ züglich der Schaltkontakte örtlich getrennt und elektrisch isoliert werden, was relativ hohe Massen und damit eine hohe kinetische Energie zur Folge hat. Dies führt während einer Zustandsänderung des Kontaktes also beim Schließen oder beim Öffnen des Kontaktes wiederum zu einer hohen Überschussenergie, die in der Regel aufwendig gedämpft werden muss, um ein sogenanntes Kontaktprellen zu vermeiden.

Um eine sichere Schaltung zu ermöglichen, wird in der Regel eine wesentlich höhere Antriebsleistung bereitgestellt, als dies prinzipiell für den Schaltvorgang notwendig wäre. Daraus ergibt sich wiederum eine Überschussenergie, die am Ende des Schaltvorgangs kompensiert werden muss. Für diesen Kompensa ^¬ tionsvorgang wird wiederum ein zusätzliches Dämpfungselement erforderlich . Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kopplungsglied zur Öffnung oder Schließung eines Schaltkontaktes für ein elektrisches Schaltgerät bereitzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen niedrigeren Bedarf an mechanischer Energie aufweist, um das Kontaktprellen zu reduzieren.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kopplungsglied für ein elektrisches Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentan ^¬ spruches 1.

Das erfindungsgemäße Kopplungsglied weist einen ersten

Schaltkontakt zum Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontaktes mit einem zweiten Schaltkontakt auf. Dabei umfasst das Kopplungsglied einen stabförmigen, länglichen Wickelkörper, an dessen einem Ende der erste Schaltkontakt angeordnet ist. Ferner umfasst das Kopplungsglied einen Rotationskörper, durch den sich der Wickelkörper erstreckt. Dabei umfasst der Rotationskörper zwei Seiten, von denen eine Seite dem einen Ende des Wicklungskörpers zugewandt ist und die andere Seite dem anderen Ende des Wickelkörpers mit dem Schaltkontakt zu ^¬ gewandt ist. Der Rotationskörper ist dabei drehbar auf dem Wickelkörper gelagert und der Wickelkörper ist dabei entlang seiner Längsachse translatorisch, also linear bewegbar gela- gert. Auf beiden Seiten des Rotationskörpers ist dabei je ^¬ weils mindestens eine Sehne, die beispielsweise in Form eines Seiles oder Drahtseiles ausgestaltet sein kann, in der Art zwischen dem Rotationskörper und dem Wickelkörper angeordnet, dass über entgegengesetzte Rotationsbewegungen des Rotations- körpers ein Aufwickeln und Abwickeln der Sehnen auf dem Wickelkörper erfolgt, was zu einer translatorischen Bewegung des Wickelkörpers führt. Ferner zeichnet sich der Rotations ^¬ körper dadurch aus, dass mindestens zwei Federn in der Art gekoppelt sind, dass in beide Rotationsrichtungen stets eine Federkraft auf den Rotationskörper wirkt, wobei eine Arretie ^¬ rung vorgesehen ist, die in Endlagen der translatorischen Bewegung des Wickelkörpers den Rotationskörper arretieren.

Um die entstehende Überschussenergie nach einer Zustandsände- rung des Kopplungsgliedes möglichst gering zu halten, ist es hilfreich, die bewegten Massen zu minimieren und ein möglichst ruckfreies Bewegungsprofil des gesamten Kopplungsglie ^¬ des zu gewährleisten. Dies gilt insbesondere für die Start- phase und für die Stopphase des Schaltvorganges. Durch die vorliegende Erfindung werden die Massen der Kinematik reduziert, indem auf Torsionsbelastung und Biegebelastung verzichtet wird und entsprechend nur auf Druck und Zug belastet wird. Dies wird insbesondere durch das ruckfreie Bewegungs ^¬ profil erzielt, so dass ein Resonator, hier ausgestaltet in Form der beiden Federn, die mit dem Rotationskörper gekoppelt sind, realisiert wird. In einer weiteren Ausgestaltungsform ist ein Freilauf vorgesehen, der mit dem Rotationskörper gekoppelt ist und der nur eine Rotationsrichtung des Rotationskörpers zulässt. Dieser Freilauf ist beispielsweise in Form eines entsprechenden Ku ^¬ gellagers ausgestaltet, das nur in eine Richtung drehbar ist, und er dient dazu, dass trotz wirkender Federkräfte auf den

Rotationskörper in einer Endlage des Wickelkörpers grundsätzlich bei Auslösen eines entsprechenden Signals nur eine Bewegungsrichtung des Rotationskörpers und somit auch nur eine Bewegungsrichtung des Wickelkörpers möglich ist. Hierbei ist es zusätzlich zweckmäßig, dass zwei Freiläufe vorhanden sind, von denen jeweils einer aktiviert ist und in den Endlagen des Wickelkörpers eine Umschaltung der Aktivierung zwischen den beiden Freiläufen erfolgt. Somit ist es sichergestellt, dass jeweils nur eine Bewegungsrichtung des Wickelkörpers und so- mit des ersten Schaltkontaktes möglich ist.

Die Arretierung, die den Rotationskörper in der Position arretiert, in der eine Endlage der translatorischen Bewegung des Wickelkörpers vorliegt, wird bevorzugt durch einen ent- sprechenden Aktor gelöst. Dabei kann der Aktor auf ein entsprechendes Signal reagieren, beispielsweise ein Steuersig ^¬ nal, das zum Öffnen oder Schließen des Schaltkontaktes auf ^¬ ruft . In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird in der Endlage des Wickelkörpers, in der die Kontakte geschlossen sind, über die Federkraft, die auf den Rotationskörper wirkt, eine An ^¬ presskraft des ersten Kontaktes an den zweiten Kontakt ausge- übt. Hierbei wird der erste Schaltkontakt mit einer Offset- kraft beaufschlagt, mit dessen Hilfe die gewünschte Kontakt ^¬ kraft der Elektroden bestimmt werden kann. In der Praxis ist es so, dass durch Reibung beispielsweise bei den Federn oder den Seilen geringe Mengen an Energie in dem Resonatorsystem zwischen Federn und Rotationskörpern verloren geht, so dass nach einer gewissen Anzahl von Öffnungsund Schließvorgängen des Kopplungsgliedes Energie in das Sys- tem eingebracht werden muss. Diese Energie wird durch ein me ^¬ chanisches Nachspannen der Federn in das System eingebracht.

In den folgenden Ausführungsbeispielen anhand der folgenden Figuren werden noch weitere Merkmale der Erfindung beschrieben. Dabei handelt es sich um rein exemplarische Ausgestal ^¬ tungsformen, die keinen Einschnitt in den Schutzbereich darstellen. Dabei zeigen: ein Kopplungsglied mit einem Rotationskörper und einem Wickelkörper sowie zwei Schaltkontakten, wobei die beiden Schaltkontakte in einer geöffneten Endlage befindlich sind, ein entsprechendes Kopplungsglied gemäß Figur 1 in einer Mittellage und

Figur 3 ein Kopplungsglied gemäß Figur 1, in dem die

Schaltkontakte geschlossen sind. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Kopplungsglieds 2 erläutert, das dazu dient, die Schaltkontakte 4, 6 in einer Vakuumschaltröhre zu öffnen und zu schließen. Nichtsdesto ^¬ trotz kann das erfindungsgemäße Kopplungsglied auch in ande ^¬ ren Schaltgeräten zum Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontaktes eingesetzt werden.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Variante eines erfindungsge ^¬ mäßen Kopplungsgliedes 2. Mit dem Kopplungsglied 2 wird ein Kontaktsystem, bestehend aus den scheibenförmigen Schaltkontakten 4 und 6, betätigt, wobei hierzu der Schaltkontakt 4 relativ zu dem Schaltkontakt 6 bewegt wird. Bei Kontaktierung der beiden Schaltkontakte 4 und 6 wird ein Stromkreis ge- schlössen und ein Stromfluss über den weiter unten erläuterten elektrisch leitenden stabförmigen Wickelkörper 8 und das Kontaktsystem der Schaltkontakte 4 und 6 bewirkt. Dieser Stromfluss kann durch Öffnen des Kontaktsystems über das Aus ^¬ einanderbewegen der beiden Schaltkontakte 4 und 6 wieder un- terbrochen werden.

Der Schaltkontakt 4 ist an einem unteren Ende des Wickelkörpers 8 befestigt, der im Folgenden auch als Wickelstab be ^¬ zeichnet wird. Der Wickelkörper 3 ist linear, also

translatorisch verschiebbar, wobei er entlang seiner Längsachse geführt wird, dabei aber nicht verdreht werden kann. Auf dem Wickelkörper 8 ist ein Rotationskörper 10 drehbar gelagert, d.h. der Rotationskörper kann auf dem Wickelkörper rotieren. Dazu weist der Rotationskörper 8 eine Bohrung auf, durch die der stabförmige Wickelkörper 8 hindurch ragt. Zwischen dem Wickelkörper 8 und dem Rotationskörper 10 ist dabei ein Lager 13 vorgesehen, so dass die Rotation des Rotationskörpers 10 möglichst reibungsfrei und verlustarm vonstatten- geht .

Der Rotationskörper 8 umfasst dabei in diesem Beispiel zwei voneinander beabstandete Scheiben bzw. Seiten 11 und 12. Zwischen diesen beiden Seiten 11 und 12 des Rotationskörpers ist in dieser Ausführungsform schematisch das Lager 13 dargestellt, das veranschaulichen soll, dass der Rotationskörper 10 auf dem Wickelkörper 8 drehbar gelagert ist.

In der Figur 1 ist eine Position des Kopplungsgliedes 2 dar ^¬ gestellt, wobei die Kontakte 4 und 6 in ihrer weitest mögli- chen Entfernung voneinander geöffnet sind. Diese Entfernung wird mit der Endlage E bezüglich der Stellung des Kontaktes 4 bezeichnet. Die Figur 2 zeigt eine Mittelposition zwischen der Endlage E und der in Figur 3 dargestellten Endlage E in der die Kontakte 4 und 6 geschlossen sind und ein Stromfluss über die Kontakte erfolgen kann.

Beginnend mit der Position der Endlage E in Figur 1 wird nun der Schließvorgang des Kopplungsgliedes 2 beschrieben. Dabei ist noch auszuführen, dass der Rotationskörper 10 mit - in diesem Beispiel - zwei Federn 18 gekoppelt ist. Die Federn 18 sind auf Zugbelastung ausgelegt und sind dabei mit einem Ende am Rotationskörper 10 befestigt und mit einem anderen Ende an einem Fixpunkt 24 außerhalb des Kopplungsgliedes 2 fixiert.

In der Endlage E, in der eine Feder 18 eine stärkere Vorspan ^¬ nung aufweist als die Feder 18 ist eine Arretierung 20 vor ^¬ gesehen, die wiederum mit einem Aktor 22 in Verbindung steht. Die Arretierung 20 ist in diesem Beispiel sehr schematisch durch einen Stab dargestellt, die Arretierung 20 kann bei ^¬ spielsweise in Form von zwei ineinandergreifenden Zahnkränzen ausgestaltet sein, was hier der besseren Anschaulichkeit hal ^¬ ber nicht explizit dargestellt ist. Ferner umfasst das Kopplungsglied Sehnen 16 bzw. 16 die zwischen dem Rotationskörper 10 und dem Wickelkörper 8, bevorzugt mit einer gewissen Vorspannung versehen, befestigt sind. Die Sehnen 16 sind dabei jeweils am Wickelkörper 8 an ^¬ gebracht und mit einem zweiten Befestigungspunkt möglichst weit außen an den Scheiben 11 und 12 bzw. an den oberen und den unteren Seiten 11 und 12 des Rotationskörpers 10 befes ^¬ tigt. Unter Sehnen werden hierbei insgesamt flexible Gebilde, wie beispielsweise Seile, Drahtseile oder Aramidfasern ver ^¬ standen, die auf der einen Seite ein hohes Elastizitätsmodul aufweisen, um eine möglichst feste Vorspannung zwischen dem Wickelkörper 8 und dem Rotationskörper 10 zu erzielen.

In dem Beispiel gemäß Figur 1 sind die Sehnen 16 ^λ im unteren Bereich zwischen der Seite 12 des Rotationskörpers 10 und dem Schaltkontakt 4 um den Wickelkörper um mehrere Umdrehungen aufgewickelt. Im oberen Bereich des Kopplungsgliedes, also oberhalb der Seite 11 des Rotationskörpers 10, sind die Seh ^¬ nen 16 in der Position der Endlage E gemäß Figur 1 nicht ver- dreht. Öffnet man die Arretierung 20, beispielsweise hervor ^¬ gerufen durch ein Signal, das an den Aktor 22 weitergeleitet wird, so wird durch die Vorspannung der Federn 18 und 18 die insgesamt so ausgestaltet sind, dass sich ein Resonator ergibt, eine Drehbewegung des Rotationskörpers erzeugt, durch die sich die Sehnen 16 ^λ im unteren Bereich des Wickelkörpers 8 abrollen und im Gegenzug dazu die Sehnen 16 im oberen Be ^¬ reich, oberhalb des Rotationskörpers 10, auf dem Wickelkörper aufdrehen. Diese Position ist in Figur 2 dargestellt. In der Position gemäß Figur 2 sind die Federn 18 und 18 ^λ auch im Wesentlichen in einer Gleichgewichtslage, wobei auch hier eine Vorspannung der Federn 18 und 18 ^λ vorliegt. Diese Gleichge ^¬ wichtslage gemäß Figur 2 wird aufgrund der Wirkung der beiden Federn als Resonator überwunden und stellt sich gemäß Figur 3 die Position der Endlage Ε ^λ ein, bei der die beiden Schaltkontakte 4 und 6 geschlossen sind.

Dabei ist das System bezüglich der Vorspannungen der einzelnen Federn 18 und 18 ^λ so ausgestaltet, dass nicht nur ein Kontakt zwischen den Kontakten 4 und 6 hergestellt ist, son ^¬ dern auch eine Offsetkraft, also eine zusätzlich Anpresskraft durch den Wickelkörper 8 und den Schaltkontakt 4 auf den Schaltkontakt 6 wirkt. Bei Erreichen der Endlage Ε ^λ greift die Arretierung 20, wiederum ausgelöst durch den Aktor 22 in den Rotationskörper 10 ein, so dass die Position des Rotationskörpers 10 gehalten wird.

Bei dem Bewegungsablauf, der zwischen den Figuren 1 und 3 dargestellt ist, wird gezeigt, wie durch die Rotation des Ro- tationskörpers 10 eine Rotationsbewegung durch Aufwickeln der Sehnen 16 in eine translatorische Bewegung des Wickelkörpers 8 und somit auch des Schaltkontaktes 4 umgewandelt wird. Die translatorische bzw. auch lineare Bewegung des Wickelkörpers 8 kann in beide Richtungen erfolgen. Der hier beschriebene Schließvorgang kann reversibel ausgehend von der Figur 3 über die Position der Figur 2 zurück zur Figur 1 beschrieben werden, wobei eine translatorische Bewegung des Wickelkörpers 8 entlang seiner Längsachse 14 in Richtung der Endlage E vollzogen wird.

Da das Federpaar 18 und 18 ^λ als Resonator wirkt, kann diese Bewegung sehr häufig ohne große Reibungsverluste vonstatten- gehen. Die Reibungsverluste sind deshalb sehr gering, da die Reibung, die über die Sehnen 16 und 16 ^λ übertragen werden, ebenfalls gering ist und eine möglichst gute Lagerung des Ro ^¬ tationskörpers bezüglich des Wickelkörpers 8 erfolgt.

Die Drehbewegung des Rotationskörpers 10 ist in der Art aus ^¬ gestaltet, dass der Rotationskörper bei einem Öffnungs- und einem Schließvorgang jeweils eine Drehung von etwa 90° in jede Richtung vollzieht. Dabei ist die Schaltzeit, also die Zeit, die das Kopplungsglied benötigt, von der Endlage Ε ^λ in die Endlage E und umgekehrt zu gelangen, durch die Steifig ^¬ keit der verwendeten Federn 18 und durch die Trägheit, also der Masse des Rotationskörpers 10, der auch als Schwungrad fungiert, abhängig. Die Winkelgeschwindigkeit Ω des Rotati- onskörpers 10 ist dabei direkt proportional zu der Wurzel aus dem Verhältnis von Federsteifigkeit, also der Federkonstante K und der Masse m des Rotationskörpers 10, exemplarisch aus ^¬ gedrückt durch die Gleichung Ω ~ (K/m) °' ⁵ .

Dabei ist die Energie des Rotationskörpers so eingestellt, dass sich das gewünschte Ω, also die gewünschte Winkelge ^¬ schwindigkeit und die gewünschte Schaltzeit für den jeweili- gen Schaltvorgang ergibt, wobei ca. 95 % der Gesamtenergie des Systems in den Schaltvorgang einfließt wird. Durch das sehr verlustarme arbeitende beschriebene Schaltsystem bzw. Kopplungsglied geht dabei in einem exemplarischen Schaltvorgang ca. 1,5 J in dem System an Energie verloren. Bei einem konventionalen Schaltvorgang mit einem konventionellen Antrieb geht bei einer selben Leistung und bei einer vergleichbaren Größe des Kopplungsgliedes das 20- bis 30-fache an Energie pro Schaltvorgang verloren. Das bedeutet, dass diese Energie beim Auftreffen der beiden Schaltkontakte 4 und 6 verloren gehen, was dazu führt, dass diese Energie die

Schaltkontakte in einem sogenannten Prellvorgang mehrfach im mikroskopischen Bereich voneinander trennt und wieder zusam- menbringt, ähnlich wie dies ein Hammer tut, der auf einen Am- boss geschlagen wird. Dieser Prellvorgang ist beim Schalten der Hochspannungsanlage äußerst unerwünscht, da durch ihn kein gleichmäßiger und schneller Kontaktaufbau vonstattenge- hen kann. Durch das energetisch verlustarm arbeitende Kopp- lungsglied gemäß der Figuren 1 bis 3 wird dieser Prellvorgang auf ein Minimum reduziert.

Da das System des Kopplungsgliedes 2 derart verlustarm schal ^¬ tet, ist es möglich, bei einer entsprechenden Vorspannung der Federn 18 und 18 ^λ eine Vielzahl von Schaltvorgängen zu realisieren. Dabei ist das System bevorzugt in der Art einge ^¬ stellt, dass so viele Schaltvorgänge durchgeführt werden, wie dies üblicherweise zwischen zwei ohnehin stattfindenden Wartungsintervallen der Schaltanlage anfallen würden. Somit kann bei einer routinemäßigen Wartung durch ein mechanisches Aufziehen, also Vorspannen der Federn 18 und 18 ^λ durch Überdrehen des Rotationskörpers 8 (Schwungrades) erfolgen. Das Auf ^¬ ziehen kann beispielsweise manuell entsprechend einer mecha ^¬ nischen Uhr oder mit Hilfe eines Elektromotors erfolgen.

Des Weiteren sind noch im Bereich des rein schematisch dargestellten Lagers 13 zwei Freiläufe angeordnet, deren Funktion darin besteht, eine Rotationsbewegung des Rotationskörpers 10 lediglich in eine Richtung zuzulassen, nämlich in die Rich- tung, die bezüglich der jeweiligen Endlage E oder Ε ^λ die einzige gewünschte Richtung ist. Diese Freiläufe, die hier nicht explizit dargestellt sind, wirken Hand in Hand mit der Arre ^¬ tierung 20, so dass bei dem Anlegen der jeweiligen Arretierung 20 beispielsweise in der Endlage E nur in den Freilauf geschaltet wird, der durch die entsprechende Rotation eine translatorische Bewegung entlang der Achse 14 des Wickelkörpers 8 in Richtung der unteren Endlage, also der geschlosse ^¬ nen Endlage E zulässt. Bei der Endlage Ε ^λ gemäß Figur 3 wird wiederum ausschließlich die Rotationsbewegung in die Gegenrichtung und somit eine translatorische Bewegung nach oben in Richtung der Endlage E zugelassen. Beim Freilauf handelt es sich um ein Kugellager, das lediglich eine Drehrichtung zulässt und die entgegensetzte Drehrichtung sperrt.