BE1025259B1 - Elektromechanisches Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers - Google Patents

Elektromechanisches Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers Download PDF

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BE1025259B1 BE2017/5386A BE201705386A BE1025259B1 BE 1025259 B1 BE1025259 B1 BE 1025259B1 BE 2017/5386 A BE2017/5386 A BE 2017/5386A BE 201705386 A BE201705386 A BE 201705386A BE 1025259 B1 BE1025259 B1 BE 1025259B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Relais (100) zum Bestimmen einer Position eines Ankers. Das elektromechanische Relais (100) umfasst eine Erregerspule (101), welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld zu erzeugen. Das elektromechanische Relais (100) umfasst eine Stromerfassungseinrichtung (103), welche ausgebildet ist, einen elektrischen Strom zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (105), welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte in einer Umgebung des Ankers zu erfassen. Das elektromechanische Relais (100) umfasst einen Speicher (107), in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor (109), welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers auf der Basis der Referenzposition zu bestimmen.

Description

Elektromechanisches Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Messtechnik zur Erfassung und Überwachung eines Betriebszustandes eines elektromechanischen Relais.
Zur Erfassung und Überwachung eines Betriebszustandes eines elektromechanischen
Relais sind verschiedene mechanische Kennwerte, beispielsweise ein Hub oder ein
Drehwinkel des Ankers, des elektromechanischen Relais von Bedeutung. Ferner sind
Kontaktereignisse des elektromechanischen Relais, beispielsweise ein Öffnen und ein
Schließen von Kontakten, bei bestimmten Positionen des Ankers von Interesse. Ferner kann hierdurch ein Abbrand der Kontakte des elektromechanischen Relais ermittelt werden.
Um die vorgenannten mechanischen Kennwerte des elektromechanischen Relais genau bestimmen zu können, ist eine zeitabhängige und/oder ortsabhängige Bestimmung der
Position des Ankers des elektromagnetischen Relais von besonderer Bedeutung.
Typischerweise erfolgt eine Bestimmung der Position des Ankers am offenen Relais mit einer geeigneten mechanischen Messeinrichtung. Beispielsweise kann ein Kraftsensor mittels eines Linearantriebs mit einem Wegsensor verschoben werden, um eine Kraft-Weg
Kennlinie aufzunehmen. Hierfür ist jedoch ein geöffnetes Relais erforderlich, womit dieser
Ansatz für den laufenden Betrieb des elektromechanischen Relais untauglich ist.
Weitere Ansätze zur Bestimmung der Position des Ankers, welche beispielsweise
Lichtschranken oder optische Sensoren zum Erfassen einer Veränderung der Position des
Ankers einsetzen, sind zwar berührungslos, erfordern jedoch üblicherweise Veränderungen im Aufbau des elektromechanischen Relais, welche teilweise starken Einfluss auf die
Funktionskennwerte des elektromechanischen Relais haben. Beispielsweise kann hierfür zusätzlicher Bauraum im Inneren des elektromechanischen Relais vorgesehen sein. Zudem können Funktionseinschränkungen durch Verschmutzung, beispielsweise durch
Kontaktabbrand, verursacht werden. Derartige Ansätze haben sich daher nicht durchgesetzt.
Ferner können magnetische Sensoren zur Bestimmung einer Position des Ankers verwendet werden. Diese Ansätze sind jedoch ausschließlich geeignet, eine jeweilige Endposition des Ankers zu erfassen, und können die erforderliche Auflösung zur Bestimmung von
Zwischenpositionen des Ankers, beispielsweise bei Kontaktereignissen, nicht erreichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Konzept zum
Bestimmen einer Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnungen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch ein elektromechanisches Relais gelöst werden kann, welches einen Speicher mit einem vorbestimmten Kennlinienfeld umfasst, welches unter Verwendung eines Metamodells vorab bestimmt werden kann. Das Metamodell berücksichtigt dabei insbesondere einen elektrischen Strom durch eine Erregerspule des elektromechanischen Relais, eine magnetische Flussdichte eines magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers sowie eine Referenzposition des Ankers und setzt diese zueinander in Beziehung.
Das vorbestimmte Kennlinienfeld kann insbesondere eine Zuordnung eines Wertepaares aus einem elektrischen Referenzstrom und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigen. Durch eine Erfassung eines Stromes durch die Erregerspule und eine Erfassung einer magnetischen Flussdichte eines magnetischen
Feldes in einer Umgebung des Ankers kann folglich unter Verwendung der vorgenannten
Zuordnung die Position des Ankers zu jedem Zeitpunkt genau bestimmt werden. Dabei werden sämtliche elektrische, magnetische und mechanische Einflussfaktoren und Rückwirkungen in dem elektromechanischen Relais berücksichtigt. Insbesondere wird dabei berücksichtigt, dass das magnetische Feld in der Umgebung des Ankers von der Position des Ankers abhängt und bei unterschiedlicher Erregung unterschiedliche magnetische
Streuflüsse am Anker erzeugt werden.
Folglich kann eine genaue und berührungslose Bestimmung der Position des Ankers des elektromechanischen Relais unter beliebigen Betriebsbedingungen erreicht werden.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein elektromechanisches Relais zum
Bestimmen einer Position eines Ankers, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais zu schließen. Das elektromechanische Relais umfasst eine Erregerspule, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. Das elektromechanische Relais umfasst ferner eine
Stromerfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die
Erregerspule zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung, welche ausgebildet zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers zu erfassen. Das elektromechanische Relais umfasst zudem einen Speicher, in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers auf der Basis der
Referenzposition des Ankers zu bestimmen.
Die zumindest eine Zuordnung bildet folglich ein Wertepaar umfassend einen elektrischen
Referenzstrom und eine magnetische Referenzflussdichte auf eine Referenzposition des
Ankers ab. Das vorbestimmte Kennlinienfeld kann eine Mehrzahl derartiger Zuordnungen anzeigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet, eine weitere magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers zu erfassen, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes, einer magnetischen Referenzflussdichte und einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und wobei der Prozessor ausgebildet ist, die erfasste weitere magnetische Flussdichte mit der weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen.
Die zumindest eine Zuordnung bildet folglich ein Wertetripel umfassend einen elektrischen
Referenzstrom, eine magnetische Referenzflussdichte und eine weitere magnetische
Referenzflussdichte auf eine Referenzposition des Ankers ab. Das vorbestimmte
Kennlinienfeld kann eine Mehrzahl derartiger Zuordnungen anzeigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der magnetischen Flussdichte eine Magnetfeldrichtung zugeordnet, wobei der weiteren magnetischen Flussdichte eine weitere Magnetfeldrichtung zugeordnet ist, und wobei die Magnetfeldrichtung und die weitere Magnetfeldrichtung rechtwinklig zueinander sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Magnetfelderfassungseinrichtung einen
Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte und die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Magnetfelderfassungseinrichtung einen
Magnetfeldsensor und einen weiteren Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte zu erfassen, und wobei der weitere
Magnetfeldsensor ausgebildet ist, die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Magnetfeldsensor und der weitere Magnetfeldsensor an gegenüberliegenden Seiten des Ankers angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet, die zumindest eine magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Anker und einer
Innenfläche des elektromechanischen Relais zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet, die weitere magnetische Flussdichte in einem weiteren Luftspalt zwischen dem Anker und einer weiteren Innenfläche des elektromechanischen Relais zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektromechanische Relais eine
Kunststofffläche, welche in der Umgebung des Ankers angeordnet ist, wobei die
Magnetfelderfassungseinrichtung an der Kunststofffläche angeordnet ist. Durch die
Kunststofffläche wird eine Beeinflussung des magnetischen Feldes in der Umgebung des
Ankers reduziert bzw. vermieden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektromechanische Relais eine
Kommunikationsschnittstelle, welche ausgebildet ist, das vorbestimmte Kennlinienfeld von einer Kalibrierungsvorrichtung zu empfangen, und das vorbestimmte Kennlinienfeld in dem
Speicher abzulegen. Mittels der Kalibrierungsvorrichtung kann während der Herstellung des elektromechanischen Relais eine Kalibrierung des elektromechanischen Relais erfolgen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann das vorbestimmte Kennlinienfeld bestimmen und bereitstellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das vorbestimmte Kennlinienfeld in Form einer Lookup-
Tabelle in dem Speicher gespeichert.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessor ausgebildet, das vorbestimmte
Kennlinienfeld zu interpolieren. Die Interpolation kann insbesondere unter Verwendung der zumindest einen Zuordnung durchgeführt werden, welche durch das vorbestimmte
Kennlinienfeld angezeigt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Anker ein Wippanker. Das elektromechanische Relais kann folglich ein elektromechanisches Wippankerrelais sein.
Gemäß einer Ausführungsform repräsentiert die Position des Ankers eine Auslenkung eines Referenzpunktes des Ankers. Der Referenzpunkt des Ankers kann sich beispielsweise an einem Ende des Ankers befinden.
Gemäß einer Ausführungsform repräsentiert die Position des Ankers einen Drehwinkel des
Ankers um einen Referenzpunkt des Ankers. Der Referenzpunkt des Ankers kann sich beispielsweise in der Mitte des Ankers befinden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessor ausgebildet, einen Überhub des Ankers auf der Basis der Position des Ankers und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen. Der vorbestimmte Übersetzungsfaktor von der Anordnung des Ankers in dem elektromechanischen Relais abhängig sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessor ausgebildet, einen Kontaktabstand des
Ankers auf der Basis der Position des Ankers und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen. Der vorbestimmte Übersetzungsfaktor von der Anordnung des Ankers in dem elektromechanischen Relais abhängig sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer
Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais zu schließen. Das elektromechanische
Relais umfasst eine Erregerspule, eine Stromerfassungseinrichtung, eine
Magnetfelderfassungseinrichtung, einen Speicher und einen Prozessor. Die Erregerspule ist ausgebildet, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. In dem Speicher ist ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert, wobei das vorbestimmte
Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt. Das
Verfahren umfasst ein Erfassen des elektrischen Stromes durch die Erregerspule durch die
Stromerfassungseinrichtung, ein Erfassen zumindest einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers durch die
Magnetfelderfassungseinrichtung, ein Vergleichen des erfassten elektrischen Stromes mit dem elektrischen Referenzstrom durch den Prozessor, ein Vergleichen der erfassten magnetischen Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte durch den Prozessor und ein Bestimmen der Position des Ankers auf der Basis der Referenzposition des Ankers durch den Prozessor.
Das Verfahren kann durch das elektromechanische Relais durchgeführt werden. Weitere
Merkmale des Verfahrens resultieren unmittelbar aus den Merkmalen oder der Funktionalität des elektromechanischen Relais.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem
Programmcode zum Ausführen des Verfahrens. Das elektromechanische Relais kann programmtechnisch eingerichtet sein, um das Computerprogramm auszuführen.
Die Erfindung kann in Hardware und/oder Software realisiert werden.
Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais;
Fig. 3a ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 3b ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 4a ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule;
Fig. 4b ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule;
Fig. 4c ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule;
Fig. 4d ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule;
Fig. 4e ein schematisches Diagramm eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule in Abhängigkeit der Zeit;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 6a ein schematisches Diagramm einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule und einer magnetischen Flussdichte;
Fig. 6b ein schematisches Diagramm einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule und einer magnetischen Flussdichte; und
Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer Bestimmung einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule, einer magnetischen Flussdichte und einer weiteren magnetischen Flussdichte.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais 100 zum
Bestimmen einer Position eines Ankers, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais 100 zu schließen.
Das elektromechanische Relais 100 umfasst eine Erregerspule 101, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule 101 zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. Das elektromechanische Relais 100 umfasst ferner eine Stromerfassungseinrichtung 103, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule 101 zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung 105, welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers zu erfassen. Das elektromechanische Relais 100 umfasst zudem einen Speicher 107, in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen
Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor 109, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen
Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen
Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers auf der Basis der
Referenzposition des Ankers zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen einer
Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais zu schließen. Das elektromechanische
Relais umfasst eine Erregerspule, eine Stromerfassungseinrichtung, eine
Magnetfelderfassungseinrichtung, einen Speicher und einen Prozessor. Die Erregerspule ist ausgebildet, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. In dem Speicher ist ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert, wobei das vorbestimmte
Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt.
Das Verfahren 200 umfasst ein Erfassen 201 des elektrischen Stromes durch die
Erregerspule durch die Stromerfassungseinrichtung, ein Erfassen 203 zumindest einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers durch die Magnetfelderfassungseinrichtung, ein Vergleichen 205 des erfassten elektrischen
Stromes mit dem elektrischen Referenzstrom durch den Prozessor, ein Vergleichen 207 der erfassten magnetischen Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte durch den Prozessor, und ein Bestimmen 209 der Position des Ankers auf der Basis der
Referenzposition des Ankers durch den Prozessor.
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen jeweils ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais 100 zum Bestimmen einer Position eines Ankers 301. In Fig. 3a befindet sich der Anker 301 in einer ersten Endposition und in Fig. 3b befindet sich der Anker 301 in einer zweiten Endposition. Der Anker 301 ist ausgebildet, einen Stromkreis, insbesondere einen Laststromkreis, des elektromechanischen Relais 100 zu öffnen und zu schließen. Der Anker 301 ist exemplarisch als Wippanker ausgebildet.
Das elektromechanische Relais 100 umfasst eine Erregerspule, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. Das elektromechanische Relais 100 umfasst ferner eine Stromerfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule zu erfassen, und eine
Magnetfelderfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische
Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers 301 zu erfassen. elektromechanische Relais 100 umfasst zudem einen Speicher, in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers 301 anzeigt, und einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers 301 auf der Basis der Referenzposition des Ankers 301 zu bestimmen.
Die magnetische Flussdichte kann beispielsweise in bzw. in der Nähe eines Luftspaltes („Luftspalt 1“) oder in bzw. in der Nähe eines weiteren Luftspaltes („Luftspalt 2“) erfasst werden, wobei der Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 angeordnet ist, und wobei der weitere Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer weiteren Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt es, dass bei verschiedenen Positionen des Ankers 301 und verschiedenen elektrischen Strömen durch die Erregerspule die Stärke und gegebenenfalls die Richtung des magnetischen Flusses an zumindest einer Stelle in dem elektromechanischen Relais 100 erfasst und/oder berechnet werden.
Fig. 4a bis Fig. 4d zeigen jeweils ein schematisches Diagramm einer magnetischen
Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule. Die Position des Ankers entspricht exemplarisch einem Drehwinkel des Ankers um einen Referenzpunkt in der Mitte des Ankers. Fig. 4a zeigt die magnetische Flussdichte in x-Richtung an einer ersten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 4b zeigt die magnetische Flussdichte in x-Richtung an einer zweiten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 4c zeigt die magnetische Flussdichte in z-Richtung an der ersten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 4d zeigt die magnetische Flussdichte in z-Richtung an der zweiten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Die magnetische
Flussdichte wird jeweils unter Verwendung einer Regression bestimmt.
Anhand der Fig. 4a bis Fig. 4d ist ersichtlich, dass eine alleinige Berücksichtigung einer magnetischen Flussdichte oder eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zur
Bestimmung der Position des Ankers üblicherweise nicht hinreichend ist. Die
Zusammenhänge und Rückwirkungen sind typischerweise nichtlinear und vom unbekannten
Drehwinkel bzw. der unbekannten Position des Ankers sowie vom zeit- und positionsabhängig veränderlichen Strom durch die Erregerspule abhängig.
Fig. 4e zeigt ein schematisches Diagramm eines elektrischen Stromes durch eine
Erregerspule in Abhängigkeit der Zeit während eines Einschaltvorganges des elektromechanischen Relais. Insbesondere ist der Einfluss der elektrischen, mechanischen und magnetischen Rückwirkung dargestellt. Eine erste Rückwirkung wird durch ein
Schließen eines ersten Kontaktes verursacht. Eine zweite Rückwirkung wird durch den
Ankeraufschlag verursacht. Der anschließende Stromanstieg wird durch die elektrische
Da sich neben der Bewegung des Ankers der elektrische Strom durch die Erregerspule auch während des Einschaltvorganges stark in Abhängigkeit von den Ansteuerbedingungen und von der Gegeninduktion des Ankers verändert, ist die Korrelation zwischen den beteiligten Größen zeitabhängig komplex und mit einfachen Algorithmen üblicherweise nicht hinreichend genau beschreibbar.
Die Korrelation zwischen dem elektrischen Strom durch die Erregerspule bzw. der Erregung und der Position des Ankers zu der (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen Flussdichte Bx und Bz kann hoch sein und bei nahezu 100% liegen (siehe auch Fig. 4a bis Fig. 4d). Demzufolge kann eine entsprechende Korrelationsfunktion auch umgestellt werden und die Position des Ankers in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom durch die
Erregerspule bzw. der Erregung und der magnetischen Flussdichte Bx, Bz und/oder By dargestellt werden.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais 100 zum
Bestimmen einer Position eines Ankers 301. Der Anker 301 ist ausgebildet, einen
Stromkreis, insbesondere einen Laststromkreis, des elektromechanischen Relais 100 zu öffnen und zu schließen. Der Anker 301 ist exemplarisch als Wippanker ausgebildet.
Das elektromechanische Relais 100 umfasst eine Erregerspule, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker 301 erstreckt. Das elektromechanische Relais 100 umfasst ferner eine Stromerfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule zu erfassen, und eine
Magnetfelderfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers 301 und eine weitere magnetische
Flussdichte des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers 301 zu erfassen. Das elektromechanische Relais 100 umfasst zudem einen Speicher, in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes, einer magnetischen
Referenzflussdichte und einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu einer
Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, die erfasste weitere magnetische Flussdichte mit der weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers 301 auf der Basis der Referenzposition des Ankers 301 zu bestimmen.
Die zumindest eine Zuordnung bildet folglich ein Wertetripel umfassend einen elektrischen
Referenzstrom, eine magnetische Referenzflussdichte und eine weitere magnetische
Referenzflussdichte auf eine Referenzposition des Ankers ab. Das vorbestimmte
Kennlinienfeld kann eine Mehrzahl derartiger Zuordnungen anzeigen. Der Prozessor kann ausgebildet sein, das vorbestimmte Kennlinienfeld zu interpolieren.
Der magnetischen Flussdichte ist eine Magnetfeldrichtung zugeordnet, wobei der weiteren magnetischen Flussdichte eine weitere Magnetfeldrichtung zugeordnet ist. Die
Magnetfeldrichtung und die weitere Magnetfeldrichtung können rechtwinklig zueinander sein. Beispielsweise kann die Magnetfeldrichtung entlang einer x-Achse eines Koordinatensystems verlaufen und kann die weitere Magnetfeldrichtung entlang einer z-Achse des Koordinatensystems verlaufen. Die magnetische Flussdichte und die weitere magnetische Flussdichte können folglich richtungsabhängig erfasst werden.
Die Magnetfelderfassungseinrichtung umfasst einen Magnetfeldsensor 501 und einen weiteren Magnetfeldsensor 503, wobei der Magnetfeldsensor 501 ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte zu erfassen, und wobei der weitere Magnetfeldsensor 503 ausgebildet ist, die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen. Alternativ kann die
Magnetfelderfassungseinrichtung lediglich einen Magnetfeldsensor 501, 503 umfassen, wobei der Magnetfeldsensor 501, 503 ausgebildet ist, sowohl die magnetische Flussdichte als auch die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
Die Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere der Magnetfeldsensor 501, ist ausgebildet, die magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 zu erfassen. Die
Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere der weitere Magnetfeldsensor 503, ist ausgebildet, die weitere magnetische Flussdichte in einem weiteren Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer weiteren Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 zu erfassen.
Das elektromechanische Relais 100 kann eine Kunststofffläche umfassen, welche in der
Umgebung des Ankers 301 angeordnet ist, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere der Magnetfeldsensor 501 und/oder der weitere Magnetfeldsensor 503, an der Kunststofffläche angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 501 und der weitere Magnetfeldsensor 503 sind an gegenüberliegenden Seiten des Ankers angeordnet.
Durch das erfindungsgemäße Konzept ist es möglich, mittels zeitabhängiger Erfassung bzw. Messung des elektrischen Stromes durch die Erregerspule und ebenfalls zeitabhängiger Erfassung bzw. Messung der (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen
Flussdichte Bx, Bz, und/oder By an zumindest einer markanten Stelle im elektromechanischen Relais 100, die Position des Ankers 301 zu beliebigen Zeitpunkten, auch während einer Bewegung des Ankers 301 und unter beliebigen Erregungsbedingungen mit veränderlichem Strom, zu bestimmen. Die Anwendung bei einem elektromechanischen Relais 100 mit einem Wippanker als Anker 301 kann besonders vorteilhaft sein, da an den beiden gegenüberliegenden Luftspalten jeweils entgegengesetzte magnetische Flussrichtungen in x-Richtung mit antivalenter Stärke der magnetischen Flussdichte bei verschiedenen
Positionen des Ankers vorliegen (siehe auch Fig. 3a und Fig. 3b).
Basierend auf dem elektromechanischen Relais 100 aus Fig. 5 können die in Fig. 4abis Fig. 4d gezeigten Größen mathematisch umgestellt werden. Hieraus ergibt sich beispielsweise der mathematische Zusammenhang:
wobei AW die Position des Ankers in Form eines Drehwinkels des Ankers (Ankerwinkel, AW), APos die Position des Ankers in Form einer Auslenkung des Ankers, Bx die magnetische Flussdichte in x-Richtung, Bz die weitere magnetische Flussdichte inz-
Richtung, n einen Index, und ISpule den Strom durch die Erregerspule bzw. die Erregung repräsentiert.
Die mit der Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere den Sensoren 501, 503, erfassten Größen der (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen Flussdichte Bx,
Bz und/oder By werden mit dem erfassten elektrischen Strom durch die Erregerspule mittels
des vorbestimmten Kennlinienfeldes, in welchem die Korrelationen dieser Größen ist, ausgewertet. Als Ergebnis erhält man die zeitabhängige Position bzw. den Drehwinkel des Ankers 301. Diese Korrelationen sind beispielhaft in Fig. 6a und Fig. 6b dargestellt. Während des Betriebes des elektromechanischen Relais 100, auch während des
Einschaltens und Ausschaltens, können der Strom durch die Erregerspule und die (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen Flussdichten beispielsweise inder Nähe des Luftspaltes oder des weiteren Luftspaltes erfasst werden. Diese drei Messwerte werden mittels des vorbestimmten Kennlinienfeldes einer zugehörigen Position des Ankers 301 zugeordnet. Mit dieser Information kann nunmehr im laufenden Betrieb und ohne direkten mechanischen oder optischen Zugang zum elektromechanischen Relais 100 die
Position des Ankers bestimmten Ereignissen an dem elektromechanischen Relais 100 zugeordnet werden. Diese Zuordnungen können beispielsweise auch die folgenden
Parameter betreffen: Überhub = Übersetzungsfaktor * (Position des Ankers 301 zum Zeitpunkt Kontakt schließt -
Endposition Anker 301)
Kontaktabstand = Übersetzungsfaktor * (Position des Ankers 301 zum Zeitpunkt Kontakt 1 schließt - Position des Ankers 301 zum Zeitpunkt Kontakt 2 schließt)
Unter Verwendung des Metamodells kann eine aktuelle Position des Ankers 301 mit einer
Referenzposition des Ankers 301 im Metamodell abgeglichen werden und somit eine weitere Verbesserung der Prognose des Systemverhaltens erreicht werden.
Fig. 6a und Fig. 6b zeigen jeweils ein schematisches Diagramm einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule und einer magnetischen Flussdichte. Die Position des Ankers entspricht exemplarisch einem Drehwinkel des Ankers um einen Referenzpunkt in der Mitte des Ankers. Fig. 6a betrifft die magnetische Flussdichte in x-Richtung an einer Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 6b betrifft die magnetische Flussdichte in z-Richtung an der Stelle in dem elektromechanischen Relais.
Die Position des Ankers ist in Form eines Oberflächendiagramms in Abhängigkeit des elektrischen Stromes durch die Erregerspule und der magnetischen Flussdichte dargestellt, wobei das Oberflächendiagramm ein vorbestimmtes Kennlinienfeld 601 repräsentieren kann.
In dem vorbestimmten Kennlinienfeld 601 werden der elektrische Strom als elektrischer
Referenzstrom, die magnetische Flussdichte als magnetische Referenzflussdichte, die weitere magnetische Flussdichte als weitere magnetische Referenzflussdichte und die
Position des Ankers als Referenzposition des Ankers bezeichnet.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Diagramm einer Bestimmung einer Position eines Ankers in
Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule, einer magnetischen
Flussdichte und einer weiteren magnetischen Flussdichte.
Der elektrische Strom durch die Erregerspule („Spulenstrom“), die magnetische Flussdichte („Flussdichte Bz“) und die weitere magnetische Flussdichte („Flussdichte Bx“) werden zunächst erfasst. Der elektrische Strom durch die Erregerspule kann ein eine elektrische Erregung umgerechnet werden. Der elektrische Strom durch die Erregerspule bzw. die Erregung wird mit einem elektrischen Referenzstrom verglichen, die magnetische
Flussdichte wird mit einer magnetischen Referenzflussdichte verglichen, und die weitere magnetische Flussdichte wird mit einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte verglichen, wobei ein vorbestimmtes Kennlinienfeld 601 den elektrischen Referenzstrom, die magnetische Referenzflussdichte und die weitere magnetische Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers in Beziehung setzt. Die Position des Ankers wird folglich auf der Basis der Referenzposition des Ankers bestimmt. Das vorbestimmte Kennlinienfeld 601 kann vorab unter Verwendung eines cyberphysikalischen Metamodells bestimmt werden.
Der funktionale Zusammenhang kann mathematisch folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei AW die Position des Ankers in Form eines Drehwinkels des Ankers (Ankerwinkel, AW), Bx die magnetische Flussdichte in x-Richtung, Bz die weitere magnetische Flussdichte in z-Richtung, n einen Index, und ISpule den Strom durch die Erregerspule bzw. die Erregung repräsentiert.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen gezeigten oder beschriebenen
Merkmale können in beliebiger Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
BEZUGSZEICHENLISTE 100 Elektromechanisches Relais 101 Erregerspule 103 Stromerfassungseinrichtung 105 Magnetfelderfassungseinrichtung 107 Speicher 109 Prozessor 200 Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Ankers 201 Erfassen des elektrischen Stromes durch die Erregerspule 203 Erfassen zumindest einer magnetischen Flussdichte 205 Vergleichen des erfassten elektrischen Stromes 207 Vergleichen der erfassten magnetischen Flussdichte 209 Bestimmen der Position des Ankers 301 Anker 501 Magnetfeldsensor 503 Weiterer Magnetfeldsensor 601 Kennlinienfeld

Claims (15)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1. Elektromechanisches Relais (100) zum Bestimmen einer Position eines Ankers (301), wobei der Anker (301) ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais (100) zu schließen, mit: einer Erregerspule (101), welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule (101) zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker (301) erstreckt; einer Stromerfassungseinrichtung (103), welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule (101) zu erfassen; eine Magnetfelderfassungseinrichtung (105), welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers (301) zu erfassen; einem Speicher (107), in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld (601) gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld (601) zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers (301) anzeigt; und einem Prozessor (109), welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers (301) auf der Basis der Referenzposition des Ankers (301) zu bestimmen.
  2. 2. Elektromechanisches Relais (100) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) ausgebildet ist, eine weitere magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers (301) zu erfassen, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld (601) zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes, einer magnetischen Referenzflussdichte und einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers (301) anzeigt, und wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, die erfasste weitere magnetische Flussdichte mit der weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen.
  3. 3. Elektromechanisches Relais (100) nach Anspruch 2, wobei der magnetischen Flussdichte eine Magnetfeldrichtung zugeordnet ist, wobei der weiteren magnetischen Flussdichte eine weitere Magnetfeldrichtung zugeordnet ist, und wobei die Magnetfeldrichtung und die weitere Magnetfeldrichtung rechtwinklig zueinander sind.
  4. 4. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) einen Magnetfeldsensor (501, 503) umfasst, wobei der Magnetfeldsensor (501, 503) ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte und die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
  5. 5. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) einen Magnetfeldsensor (501) und einen weiteren Magnetfeldsensor (503) umfasst, wobei der Magnetfeldsensor (501) ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte zu erfassen, und wobei der weitere Magnetfeldsensor (503) ausgebildet ist, die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
  6. 6. Elektromechanisches Relais (100) nach Anspruch 5, wobei der Magnetfeldsensor (501) und der weitere Magnetfeldsensor (503) an gegenüberliegenden Seiten des Ankers (301) angeordnet sind.
  7. 7. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) ausgebildet ist, die zumindest eine magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Anker (301) und einer Innenfläche des elektromechanischen Relais (100) zu erfassen.
  8. 8. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektromechanische Relais (100) eine Kunststofffläche umfasst, welche in der Umgebung des Ankers (301) angeordnet ist, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) an der Kunststofffläche angeordnet ist.
  9. 9. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektromechanische Relais (100) eine Kommunikationsschnittstelle umfasst, welche ausgebildet ist, das vorbestimmte Kennlinienfeld (601) von einer Kalibrierungsvorrichtung zu empfangen, und das vorbestimmte Kennlinienfeld (601) in dem Speicher (107) abzulegen.
  10. 10. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, das vorbestimmte Kennlinienfeld (601) zu interpolieren.
  11. 11. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anker (301) ein Wippanker ist.
  12. 12. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Position des Ankers (301) eine Auslenkung eines Referenzpunktes des Ankers (301) repräsentiert, oder wobei die Position des Ankers (301) einen Drehwinkel des Ankers (301) um einen Referenzpunkt des Ankers (301) repräsentiert.
  13. 13. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, einen Überhub des Ankers (301) auf der Basis der Position des Ankers (301) und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen, oder wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, einen Kontaktabstand des Ankers (301) auf der Basis der Position des Ankers (301) und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen.
  14. 14. Verfahren (200) zum Bestimmen einer Position eines Ankers (301) eines elektromechanischen Relais (100), wobei der Anker (301) ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais (100) zu schließen, wobei das elektromechanische Relais (100) eine Erregerspule (101), eine Stromerfassungseinrichtung (103), eine Magnetfelderfassungseinrichtung (105), einen Speicher (107) und einen Prozessor (109) umfasst, wobei die Erregerspule (101) ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule (101) zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker (301) erstreckt, wobei in dem Speicher (107) ein vorbestimmtes Kennlinienfeld (601) gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld (601) zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers (301) anzeigt, mit: Erfassen (201) des elektrischen Stromes durch die Erregerspule (101) durch die Stromerfassungseinrichtung (103); Erfassen (203) zumindest einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers (301) durch die Magnetfelderfassungseinrichtung (105); Vergleichen (205) des erfassten elektrischen Stromes mit dem elektrischen Referenzstrom durch den Prozessor (109); Vergleichen (207) der erfassten magnetischen Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte durch den Prozessor (109); und Bestimmen (209) der Position des Ankers (301) auf der Basis der Referenzposition des Ankers (301) durch den Prozessor (109).
  15. 15. Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens (200) nach Anspruch 14.
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