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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetischen Schaltelement für ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 028 296 A1 wird beispielsweise eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltelementes beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung umfasst eine Schalteinheit und einen Magnetantrieb, welcher eine erste Spule und einen Magnetkreis aufweist. Durch Bestromung der ersten Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, welches eine auf das elektromagnetische Schaltelement wirkende magnetische Kraft erzeugt. Die Vorrichtung weist zwei gegensinnig gewickelte Spulen auf, wobei die zweite Spule zur Schwächung des von der ersten Spule hervorgerufenen Magnetfeldes vorgesehen ist. Die beiden Spulen sind wenigstens an einem Anschluss elektrisch miteinander verbunden. Die Schalteinheit weist mindestens zwei Schaltkontakte auf, welche über ein korrespondierendes bewegliches Schaltelement elektrisch miteinander verbindbar sind, wobei das elektromagnetische Schaltelement auf das bewegliche Schaltelement der Schalteinheit wirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektromagnetische Schaltelement für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass beim Schalten des elektromagnetischen Schaltelements, insbesondere beim Ausschalten, eine Beschädigung des im Stromkreis angeordneten Aktivierungselements verhindert werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen für eine vorgegebene Einschaltzeit in vorteilhafter Weise eine starke Reduzierung der im erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement gespeicherten Energie, so dass die während der Ausschaltphase durch die Bauteile aufzunehmende Energie deutlich reduziert werden kann. Dadurch können in vorteilhafter Weise die Belastungen im Aktvierungsschaltelement und die Anzahl der erforderlichen Leistungsbauteile reduziert werden. Bei der Verwendung von mechanischen oder elektromechanischen Schaltern als Aktvierungsschaltelement können Ausführungsformen der Erfindung die Belastung der Kontakte durch Lichtbögen reduzieren, wodurch die Anzahl von maximal möglichen Schaltvorgängen während ihrer Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements in vorteilhafter Weise erhöht werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein elektromagnetisches Schaltelement für ein Fahrzeug mit einem Magnetantrieb, welcher einen Magnetkreis und eine bestrombare Spulenwicklung zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweist, welches über eine korrespondierende magnetischen Kraft ein bewegliches Schaltmittel von einer Ruheposition in eine Arbeitsposition bewegt, und einer Schalteinheit zur Verfügung, welche mindestens zwei Schaltkontakte aufweist, welche über ein korrespondierendes bewegliches Schaltelement elektrisch miteinander verbindbar sind. Hierbei wirkt das bewegliche Schaltmittel des Magnetantriebs auf das bewegliche Schaltelement der Schalteinheit, wobei mindestens eine Zusatzspulenwicklung vorgesehen ist, welche das erzeugte Magnetfeld der Spulenwicklung beeinflusst. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Zusatzspulenwicklung als im Magnetkreis der Spulenwicklung angeordnete Induktionsspule ausgeführt, welche mit einem Zusatzstromkreis verbunden ist. Hierbei erzeugt eine Stromänderung in der Spulenwicklung eine Magnetfeldänderung im die Spulenwicklung und die mindestens eine Zusatzspulenwicklung umfassenden Magnetkreis, welche einen korrespondierenden Stromfluss im Zusatzstromkreis bewirkt und dem Magnetfeld Energie entzieht. Das bedeutet, dass die mindestens eine Zusatzspulenwicklung und die Spulenwicklung keine gemeinsamen elektrischen Kontakte aufweisen und nur über den gemeinsamen Magnetkreis miteinander gekoppelt sind. Dadurch wird nur in Phasen, in welchen sich der Stromfluss durch die Spulenwicklung ändert, d.h. während einer Einschalt- bzw. Ausschaltphase, das Magnetfeld im Magnetkreis geändert, so dass durch den mindestens einen Zusatzschaltkreis die Energie nur während der Einschalt- bzw. Ausschaltphase reduziert wird. Nach der Einschaltphase fließt ein im Wesentlichen konstanter Strom durch die Spulenwicklung, so dass keine Magnetfeldänderung im Magnetkreis bewirkt wird und somit auch keine Energie abgebaut wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen elektromagnetischen Schaltelements für ein Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass eine erste Zusatzspulenwicklung im Bereich der Spulenwicklung angeordnet werden kann, wobei die erste Zusatzspulenwicklung mit einem ersten Zusatzstromkreis verbunden und elektrisch von der Spulenwicklung isoliert ist. So kann die erste Zusatzspulenwicklung beispielsweise elektrisch isoliert auf die Spulenwicklung aufgebracht bzw. aufgewickelt werden. Alternativ kann die Spulenwicklung elektrisch isoliert auf die erste Zusatzspulenwicklung aufgebracht bzw. aufgewickelt werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kompakte Bauweise des elektromagnetischen Schaltelements.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements kann die erste Zusatzspulenwicklung nur eine Windung aufweisen und als elektrisch leitender Zylinder ausgeführt werden, auf welchen die Spulenwicklung elektrisch isoliert aufgebracht bzw. aufgewickelt werden kann. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfach herzustellende besonders kompakte Bauweise des elektromagnetischen Schaltelements.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements kann eine zweite Zusatzspulenwicklung im Bereich des beweglichen Schaltmittels angeordnet werden, wobei die zweite Zusatzspulenwicklung mit einem zweiten Zusatzstromkreis verbunden und elektrisch von den anderen Spulenwicklungen isoliert ist. So kann die zweite Zusatzspulenwicklung beispielsweise auf das Schaltmittel aufgebracht bzw. aufgewickelt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements kann die zweite Zusatzspulenwicklung nur eine Windung aufweisen und als elektrisch leitender Zylinder ausgeführt werden. In diesem Fall kann die zweite Zusatzspulenwicklung in vorteilhafter Weise in das Schaltmittel integriert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements kann der mindestens eine Zusatzstromkreis mindestens ein elektrisches Bauelement aufweisen, welches einen Abbau der überflüssigen Energie des elektromagnetischen Schaltelements ermöglicht. Das mindestens eine elektrische Bauelement kann beispielsweise als ohmscher Widerstand und/oder als Zenerdiode und/oder als Schutzdiode und/oder als Schalter ausgeführt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements kann das Schaltmittel als Tauchanker ausgeführt werden, welcher das bewegliche Schaltelement gegen die Kraft einer Rückstellfeder bis zum Anschlag an den Schaltkontakten bewegt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements können die Schaltkontakte im Leistungsstromkreis eines Startergenerators des Fahrzeugs angeordnet werden. Des Weiteren kann die Spulenwicklung elektrisch in Reihe zu einem Aktivierungsschaltelement angeordnet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines bekannten elektromagnetischen Schaltelements mit einem Magnetantrieb und einer Schalteinheit.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer ersten Schaltungsanordnung mit dem bekannten elektromagnetischen Schaltelement aus 1 und einem Aktvierungsschaltelement.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten Schaltungsanordnung mit dem bekannten elektromagnetischen Schaltelement aus 1 und dem Aktvierungsschaltelement.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements mit einem Magnetantrieb und einer Schalteinheit.
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5 zeigt ein schematisches Schaltbild einer dritten Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement aus 4 und einem Aktvierungsschaltelement.
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6 zeigt ein schematisches Schaltbild einer vierten Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement aus 4 und einem Aktvierungsschaltelement.
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7 zeigt ein schematisches Schaltbild einer fünften Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement aus 4 und einem Aktvierungsschaltelement.
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8 zeigt ein schematisches Schaltbild einer sechsten Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement aus 4 und einem Aktvierungsschaltelement.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements mit einem Magnetantrieb und einer Schalteinheit.
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10 zeigt ein schematisches Schaltbild einer siebten Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement aus 9 und einem Aktvierungsschaltelement.
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11 zeigt ein schematisches Schaltbild einer achten Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement aus 9 und einem Aktvierungsschaltelement.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte als Relais ausgeführte aus dem Stand der Technik bekannte elektromagnetische Schaltelement 1 einen Magnetantrieb 10 mit einer Spulenwicklung 12, welche eine vorgegebene Windungszahl aufweist und bei Bestromung einen Magnetfluss 18 in einem Magnetkreis 16 erzeugt, welcher aus Teilen hergestellt ist, deren Material eine hohe Permittivität aufweist. Der Magnetkreis 16 umfasst ein als beweglicher Anker ausgeführtes Schaltmittel 14, wobei das Schaltmittel 14 zur Durchführung einer ungehinderten Bewegung einen Luftspalt zum Rest des Magnetkreises 16 und einen Arbeitsluftspalt 19.2 aufweist, welchen das als beweglicher Anker ausgeführte Schaltmittel 14 überbrückt, wenn die Spulenwicklung 12 ausreichend bestromt wird. Zudem umfasst das elektromagnetische Schaltelement 1 eine Schalteinheit 20, welche mindestens zwei Schaltkontakte 24a, 24b aufweist, welche über ein korrespondierendes bewegliches Schaltelement 22 elektrisch miteinander verbindbar sind. Wenn ein Strom durch die Spulenwicklung 12 fließt, wird im Magnetkreis 16 der Magnetfluss 18 erzeugt und das als beweglicher Anker ausgeführte Schaltmittel 14 bewegt sich aus seiner Ruheposition am Anschlag 3. Bei der in 1 gezeigten Ausrichtung bewegt sich das als beweglicher Anker ausgeführte Schaltmittel 14 nach rechts und verkleinert den Arbeitsluftspalt 19.2. Das Schaltmittel 14 ist mit einem Stößel 5 verbunden, welcher das bewegliche Schaltelement 22 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 26 bewegt, welche sich auf einer Federauflage 28 abstützt. Ist der Stromfluss durch die Spulenwicklung 12 hoch genug, dann schließt das Schaltelement 22 die elektrische Verbindung zwischen den beiden Schaltkontakten 24a, 24b.
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2 und 3 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung 30 mit dem aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Schaltelement 1 aus 1 und einem Aktvierungsschaltelement 32.
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Bei den dargestellten Schaltungsanordnungen 30 treibt ein als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführtes Aktvierungsschaltelement 32 das elektromagnetische Schaltelement 1. Ein Drain-Anschluss 32.1 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 ist mit einer Versorgungsspannung UB verbunden, und ein Source-Anschluss 32.3 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 ist mit dem elektromagnetischen Schaltelement 1 verbunden. Der dargestellte N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 wird durch eine positive Spannung aktiviert, welche an einen Gate-Anschluss 32.2 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 angelegt wird. Wird der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 durch eine positive Spannung am Gate-Anschluss 32.2 leitend geschaltet, dann beginnt ein Strom durch die Spulenwicklung 12 zu fließen und bei einem vorgegebenen Strompegel ist die erzeugte Magnetkraft groß genug und die beiden Schaltkontakte 24a, 24b werden durch das Schaltelement 22 elektrisch miteinander verbunden. Wird der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 sperrend geschaltet, dann wird die Spannung am Source-Anschluss 32.3 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 negativ und aufgrund des zwischen dem Source-Anschluss 32.3 und dem Gate-Anschluss 32.2 angeordneten ohmschen Widerstands 37, wird auch die Spannung am Gate-Anschluss 32.2 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 negativ. Die negative Spannung sollte so groß sein, dass das elektromagnetische Schaltelement 1 innerhalb einer kurzen Zeitspanne ausgeschaltet bzw. umgeschaltet wird. Andererseits sollte die negative Spannung begrenzt werden, um zu verhindern, dass im N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 ein Lawineneffekt ausgelöst wird, welcher zu einer Beschädigung des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 führen kann.
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Bei der in 2 dargestellten ersten Schaltungsanordnung 30a wird die Begrenzung der negativen Spannung am Source-Anschluss 32.3 über eine Zenerdiode 33 implementiert, welche den Durchlasszustand des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 auf einen vorgegebenen Wert festlegt, um die Spannung am Source-Anschluss 32.3 zu begrenzen. Eine Schutzdiode 34 verhindert einen Stromfluss zwischen dem Gate-Anschluss 32.2 und dem Drain-Anschluss 32.1 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32, wenn die Spannung am Gate-Anschluss 32.2 die Spannung am Drain-Anschluss 32.1 übersteigt. Somit ist die erste Schaltungsanordnung 30a in der Lage, das elektromagnetische Schaltelement 1 innerhalb einer kurzen Zeitspanne auszuschalten bzw. umzuschalten und die Spannung zwischen dem Drain-Anschluss 32.1 und dem Source-Anschluss 32.3 auf einem Wert zu halten, welcher kleiner als die Schwellwertspannung ist, welche den Lawineneffekt im N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 auslöst. Der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 muss aber so ausgelegt werden, dass während der Ausschaltphase die im elektromagnetischen Schaltelement 1 gespeicherte große Energiemenge und die zusätzlich von der Energieversorgung bereitgestellte Energiemenge keine Beschädigung des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 verursachen. Da der sichere Betriebsbereich (SOA: Safe Operation Area) des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 oder von anderen Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Bipolar-Transistoren, welche als Aktvierungsschaltelement 32 verwendet werden können, begrenzt ist, kann dies zu Problemen führen. So kann beispielsweise ein Ausfall des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 dadurch verursacht werden, dass der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 in der Begrenzungsphase der Zenerdiode 33 in einem linearen Modus betrieben wird, während gleichzeitig hohe Drainströme fließen und eine hohe Spannung zwischen dem Drain-Anschluss 32.1 und dem Source-Anschluss 32.3 auftreten können. Bei diesen Bedingungen kann der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 instabil werden, da eine interne positive Rückkoppelschleife aktiviert wird, welche einige aktive Zellen des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 veranlasst den größten Teil der Verlustleistung aufzunehmen. Diese Zellen können dann überlastet werden und einen Ausfall des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 bewirken, da der sichere Betriebsbereich (SOA) verlassen wurde. Dieses Problem kann durch die Verwendung von sehr großflächigen N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren als Aktvierungsschaltelemente 32 gelöst werden. Dies führt jedoch zu höheren Kosten.
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Auch die Verwendung von mechanischen oder elektromechanischen Schaltern als Aktvierungsschaltelement 32 kann zu Problemen führen, da die Anzahl von maximal möglichen Schaltvorgängen während ihrer Lebensdauer aufgrund der beim Ausschaltvorgang auftretenden Lichtbögen begrenzt ist.
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Bei der in 3 dargestellten zweiten Schaltungsanordnung 30b wird die Begrenzung der negativen Spannung am Source-Anschluss 32.3 über eine Leistungszenerdiode 35 implementiert, welche die Ausschaltenergie des elektromagnetischen Schaltelements 1 nach Masse ableitet und die Spannung am Source-Anschluss 32.3 begrenzt. Eine Leistungsschutzdiode 36 verhindert einen Stromfluss durch die Leistungszenerdiode 35 während des Normalbetriebs, in welchem der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32 leitend geschaltet ist. Das bedeutet, dass bei der zweiten Schaltungsanordnung 30b drei Leistungskomponenten, nämlich der N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 32, die Leistungszenerdiode 35 und die Leistungsschutzdiode 36 für die Ansteuerung des elektromagnetischen Schaltelements 1 erforderlich sind. Insbesondere die Leistungszenerdiode 35 muss eine große Fläche aufweisen, um während der Ausschaltphase die im elektromagnetischen Schaltelement 1 gespeicherte Energiemenge abzuleiten.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 4 bzw. 9 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele eines als Relais ausgeführten erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a, 1b analog zu dem bekannten elektromagnetischen Schaltelement 1 aus 1 jeweils einen Magnetantrieb 40, 40a, 40b mit einer Spulenwicklung 12, welche eine vorgegebene Windungszahl aufweist und bei Bestromung einen Magnetfluss 48 in einem Magnetkreis 46 erzeugt, welcher aus Teilen hergestellt ist, deren Material eine hoher Permittivität aufweist. Der Magnetkreis 46 umfasst ein als beweglicher Anker ausgeführtes Schaltmittel 14, 14b, wobei das Schaltmittel 14, 14b zur Durchführung einer unbehinderten Bewegung einen Luftspalt 19.1 zum Rest des Magnetkreises 46 und einen Arbeitsluftspalt 19.2 aufweist, welchen das als beweglicher Anker ausgeführte Schaltmittel 14, 14b überbrückt, wenn die Spulenwicklung 12 ausreichend bestromt wird. Zudem umfasst das elektromagnetische Schaltelement 1 eine Schalteinheit 20, welche mindestens zwei Schaltkontakte 24a, 24b aufweist, welche über ein korrespondierendes bewegliches Schaltelement 22 elektrisch miteinander verbindbar sind. Wenn ein Strom durch die Spulenwicklung 12 fließt, wird im Magnetkreis 46 der Magnetfluss 48 erzeugt und das als beweglicher Anker ausgeführte Schaltmittel 14, 14b bewegt sich aus seiner Ruheposition am Anschlag 3. Bei der in 4 bzw. 9 gezeigten Ausrichtung bewegt sich das als beweglicher Anker ausgeführte Schaltmittel 14, 14b nach rechts und verkleinert den Arbeitsluftspalt 19.2. Das Schaltmittel 14, 14b ist mit einem Stößel 5 verbunden, welcher das bewegliche Schaltelement 22 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 26 bewegt, welche sich auf einer Federauflage 28 abstützt. Ist der Stromfluss durch die Spulenwicklung 12 hoch genug, dann schließt das Schaltelement 22 die elektrische Verbindung zwischen den beiden Schaltkontakten 24a, 24b.
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Erfindungsgemäß ist mindestens eine Zusatzspulenwicklung 43a, 43b im Magnetkreis 46 der Spulenwicklung 12 angeordnet, welche als Induktionsspule ausgeführt ist. Die als Induktionsspule ausgeführte mindestens eine Zusatzspulenwicklung 43a, 43b ist mit einem Zusatzstromkreis 44a, 44b verbunden. Hierbei erzeugt eine Stromänderung in der Spulenwicklung 12 eine Magnetfeldänderung im die Spulenwicklung 12 und die mindestens eine Zusatzspulenwicklung 43a, 43b umfassenden Magnetkreis 46, welche einen korrespondierenden Stromfluss im Zusatzstromkreis 44a, 44b bewirkt und dem Magnetfeld Energie entzieht.
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Wie aus 4 bis 8 weiter ersichtlich ist, weist das dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a eine erste Zusatzspulenwicklung 43a auf, welche im Bereich der Spulenwicklung 12 angeordnet ist, wobei die erste Zusatzspulenwicklung 43a mit einem ersten Zusatzstromkreis 44a verbunden und elektrisch von der Spulenwicklung 12 isoliert ist. Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die erste Zusatzspulenwicklung 43a als Träger für die Spulenwicklung 12 ausgeführt. Das bedeutet, dass die Spulenwicklung elektrisch isoliert auf die erste Zusatzspulenwicklung 43a aufgebracht bzw. aufgewickelt ist. Die einzelnen Windungen können beispielsweise mittels einer Lackschicht gegeneinander elektrisch isoliert werden. Das gilt auch für die Spulenwicklung 12 und die erste Zusatzspulenwicklung 43a. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a.
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Bei einer möglichen Ausführungsform kann die erste Zusatzspulenwicklung 43a nur eine Windung aufweisen und als elektrisch leitender Zylinder ausgeführt werden, auf welchen die Spulenwicklung 12 elektrisch isoliert aufgebracht ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache und schnelle Fertigung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a. Bei der Ausführung der ersten Zusatzspulenwicklung 43a mit nur einer Windung, sollte das verwendete Material für die erste Zusatzspulenwicklung 43a eine niedrige Permittivität aufweisen, um den Skineffekt zu minimieren, welcher den effektiven Querschnitt der ersten Zusatzspulenwicklung 43a reduziert.
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5 bis 8 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung 50 mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement 1a aus 4, welches von einem beispielhaft als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten Aktvierungsschaltelement 32 angesteuert wird. Die verschiedenen Schaltungsanordnungen 50a bis 50d weisen jeweils einen anderen ersten Zusatzstromkreis 44a auf.
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Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, weist ein erstes Ausführungsbeispiel 44a.1 des ersten Zusatzstromkreises 44a zum Energieabbau bei der dargestellten dritten Schaltungsanordnung 50a eine Zenerdiode 55, eine Schutzdiode 56 und einen ohmschen Widerstand 57 auf. Es wird angenommen, dass das als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführte Aktivierungsschaltelement 32 und das erfindungsgemäße elektromagnetische Schaltelement 1a aktiviert sind und ein konstanter Strom durch die Spulenwicklung 12 fließt. In diesem Fall fließt kein Strom durch die erste Zusatzspulenwicklung 43a und die Komponenten 55, 56, 57 des ersten Zusatzstromkreises 44a. Die Schutzdiode 56 ist erforderlich, um bei Bedarf während der Einschaltphase einen Stromfluss im ersten Zusatzstromkreis 44a zu unterdrücken, um die Einschaltzeitspanne des elektromagnetischen Schaltelements 1a kurz zu halten. Wird das als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführte Aktivierungsschaltelement 32 ausgeschaltet bzw. in den sperrenden Zustand geschaltet, dann wird die Spannung am Source-Anschluss 32.3 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 negativ und aufgrund des zwischen dem Source-Anschluss 32.3 und dem Gate-Anschluss 32.2 angeordneten ohmschen Widerstands 37, wird auch die Spannung am Gate-Anschluss 32.2 des N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 32 negativ. Dadurch nimmt der Stromfluss durch die Spulenwicklung 12 ab. Aufgrund des sich ändernden Stromflusses durch die Spulenwicklung wird eine Spannung in der ersten Zusatzspulenwicklung 43a induziert. Die induzierte Spannung bewirkt einen Stromfluss durch die Komponenten 55, 56, 57 des ersten Zusatzstromkreises 44a. Durch den Spannungsabfall an den Komponenten 55, 56, 57 des ersten Zusatzstromkreises 44a und den Stromfluss wird im ersten Zusatzstromkreis 44a Energie abgebaut, welche im erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement 1a gespeichert ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise einen schnellen Umschaltvorgang des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a. Da der Spannungsabfall über der Spulenwicklung 12 während der Ausschaltphase vom Wicklungsverhältnis der Spulenwicklung 12 und der ersten Zusatzspulenwicklung 43a und vom Spannungsabfall über den Komponenten 55, 56, 57 des ersten Zusatzstromkreises 44a abhängig ist, kann der Umfang der abbaubaren Energiemenge durch eine geeignete Wahl der an der Zenerdiode 55 abfallenden Zenerspannung und des Wertes des ohmschen Widerstands 57 vorgegeben und in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass der Lawineneffekt im als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten Aktivierungsschaltelement 32 ausgelöst wird. Dadurch kann in vorteilhafter Weise das Problem gelöst werden, dass das als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführte Aktivierungsschaltelement 32 außerhalb des sicheren Betriebsbereichs (SOA) betrieben wird und es können trotz kurzer Ausschaltzeitspanne N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren mit kleineren Flächen als Aktivierungsschaltelemente 32 eingesetzt werden. Die Schutzdiode 56 ist nur erforderlich, wenn der während der Einschaltphase in der ersten Zusatzspulenwicklung 43a erzeugte Stromfluss störend ist bzw. zu einer Beschädigung der Zenerdiode 55 führen kann. Ansonsten kann auf die Schutzdiode 56 verzichtet werden. Der ohmsche Widerstand 57 kann beispielsweise nur den ohmschen Widerstandswert des Materials der ersten Zusatzspulenwicklung 43a repräsentieren. Alternativ kann ein zusätzlicher ohmscher Widerstand in den ersten Zusatzstromkreis 44a eingeschleift werden.
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Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, weist ein zweites Ausführungsbeispiel 44a.2 des ersten Zusatzstromkreises 44a zum Energieabbau bei der dargestellten vierten Schaltungsanordnung 50b nur die Schutzdiode 56 und den ohmschen Widerstand 57 auf. Das zweite Ausführungsbeispiel 44a.2 des ersten Zusatzstromkreises 44a ist einfacher als das erste Ausführungsbeispiel 44a.1 des ersten Zusatzstromkreises 44a aufgebaut, da auf die Zenerdiode 55 verzichtet wurde. Diese Schaltungstopologie kann gewählt werden, wenn die Begrenzung des Spannungsabfalls während der Ausschaltphase durch die Zenerdiode 55 nicht erforderlich ist. Während der Einschaltphase verhindert die Schutzdiode 56 den Stromfluss im ersten Zusatzstromkreis 44a und dadurch einen Beeinflussung des Schaltverhaltens des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a.
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Wie aus 7 weiter ersichtlich ist, weist ein drittes Ausführungsbeispiel 44a.3 des ersten Zusatzstromkreises 44a bei der dargestellten fünften Schaltungsanordnung 50c Komponenten 57a, 57b zum Energieabbau auf, welche über korrespondierende Schaltelemente 58a, 58b zuschaltbar bzw. auswählbar sind. Im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel 44a.3 des ersten Zusatzstromkreises 44a sind nur ohmsche Widerstände 57a, 57b für den Energieabbau vorgesehen. Selbstverständlich können analog zu den anderen Ausführungsbeispielen aber auch noch weitere Komponenten wie Zenerdioden und/oder Schutzdioden zusätzlich oder alternativ zu den ohmschen Widerständen 57a, 57b im ersten Zusatzstromkreis 44a vorgesehen werden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele 44a.1, 44a.2, 44a.3 des ersten Zusatzstromkreises 44a werden vorzugsweise in Verbindung mit einer ersten Zusatzspulenwicklung 43a verwendet, welche mehr als eine Windung aufweist.
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Wie aus 8 weiter ersichtlich ist, weist ein viertes Ausführungsbeispiel 44a.4 des ersten Zusatzstromkreises 44a zum Energieabbau bei der dargestellten sechsten Schaltungsanordnung 50d nur noch den ohmschen Widerstand 57 auf. Das vierte Ausführungsbeispiel 44a.4 des ersten Zusatzstromkreises 44a ist einfacher als die anderen Ausführungsbeispiele 44a.1, 44a.2, 44a.4 des ersten Zusatzstromkreises 44a aufgebaut. Diese Schaltungstopologie kann gewählt werden, wenn die Begrenzung des Spannungsabfalls während der Ausschaltphase durch die Zenerdiode 55 nicht erforderlich ist und der ohmsche Widerstand 57 aufgrund einer Lawinendurchbruchspannung des als Aktivierungsschaltelement 32 verwendeten N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors zum Energieabbau und zum Erzielen der geforderten Ausschaltzeitspanne ausreichend ist. Während der Einschaltphase verhindert die Schutzdiode 56 den Stromfluss im ersten Zusatzstromkreis 44a und dadurch einen Beeinflussung des Schaltverhaltens des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a. Das vierte Ausführungsbeispiel 44a.4 des ersten Zusatzstromkreises 44a kann unabhängig von der Windungszahl der ersten Zusatzspulenwicklung 43a verwendet werden. Für den Fall, das der ohmsche Widerstand 57 nur den ohmschen Widerstandswert des Materials der ersten Zusatzspulenwicklung 43a repräsentiert, kann das vierte Ausführungsbeispiel 44a.4 des ersten Zusatzstromkreises 44a auch in Verbindung mit einer ersten Zusatzspulenwicklung 43a verwendet werden, welches nur eine Windung aufweist.
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Wie aus 9 bis 11 weiter ersichtlich ist, weist das dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1b eine erste Zusatzspulenwicklung 43a und eine zweite Zusatzspulenwicklung 43b auf. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelements 1a ist die erste Zusatzspulenwicklung 43a im Bereich der Spulenwicklung 12 angeordnet und mit einem ersten Zusatzstromkreis 44a verbunden und elektrisch von der Spulenwicklung 12 isoliert. Auch im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist die erste Zusatzspulenwicklung 43a als Träger für die Spulenwicklung 12 ausgeführt. Wie aus 9 weiter ersichtlich ist, ist die zweite Zusatzspulenwicklung 43b im Bereich des beweglichen Schaltmittels 14b angeordnet. Die zweite Zusatzspulenwicklung 43b ist mit einem zweiten Zusatzstromkreis 44b verbunden und elektrisch von den anderen Spulenwicklungen 12, 43b isoliert.
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Analog zur ersten Zusatzspulenwicklung 43a kann auch die zweite Zusatzspulenwicklung 43b nur eine Windung aufweisen und als elektrisch leitender Zylinder ausgeführt und in das bewegliche Schaltmittel 14b integriert werden. Bei der vorzugsweisen Ausführung der zweiten Zusatzspulenwicklung 43b mit nur einer Windung, sollte das verwendete Material für die zweite Zusatzspulenwicklung 43b eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Permittivität aufweisen, um den Skineffekt zu minimieren, welcher den effektiven Querschnitt der zweiten Zusatzspulenwicklung 43b reduziert. Daher wird vorzugsweise Kupfer zur Herstellung der zweite Zusatzspulenwicklung 43b als Zylinder verwendet.
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10 und 11 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung 60 mit dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement 1b aus 9, welches von einem beispielhaft als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten Aktvierungsschaltelement 32 angesteuert wird. Die verschiedenen Schaltungsanordnungen 60a bis 60d weisen jeweils einen anderen ersten Zusatzstromkreis 44a und einen gleichen zweiten Zusatzstromkreis 44b auf.
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Wie aus 10 weiter ersichtlich ist, entspricht der erste Zusatzstromkreis 44a zum Energieabbau der dargestellten fünften Schaltungsanordnung 60a dem ersten Ausführungsbeispiel 44a.1 des ersten Zusatzstromkreises 44a der in 5 dargestellten dritten Schaltungsanordnung 50a und weist die gleiche Funktionsweise auf. Daher wird hier auf eine wiederholende Beschreibung der Funktionsweise des ersten Zusatzstromkreises 44a verzichtet. Im Unterschied zur dritten Schaltungsanordnung 50a aus 5, induziert eine Änderung des Stromflusses durch die Spulenwicklung 12 nicht nur eine Spannung in der ersten Zusatzspulenwicklung 43a sondern auch eine Spannung in der zweiten Zusatzspulenwicklung 43b. Die induzierte Spannung bewirkt einen Stromfluss durch die Komponente 67 des zweiten Zusatzstromkreises 44b, welche als ohmscher Widerstand ausgeführt ist. Durch den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 67 des zweiten Zusatzstromkreises 44b und den Stromfluss wird im zweiten Zusatzstromkreis 44b zusätzlich Energie abgebaut, welche im erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement 1a gespeichert ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine weitere Reduzierung der Belastung des als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten Aktivierungsschaltelements 32 während der Ausschaltphase. Die dargestellte Topologie der fünften Schaltungsanordnung 60a wird vorzugsweise in Verbindung mit einer ersten Zusatzspulenwicklung 43a verwendet, welche mehr als eine Windung aufweist.
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Wie aus 11 weiter ersichtlich ist, entspricht der erste Zusatzstromkreis 44a zum Energieabbau der dargestellten sechsten Schaltungsanordnung 60b dem vierten Ausführungsbeispiel 44a.4 des ersten Zusatzstromkreises 44a der in 8 dargestellten sechsten Schaltungsanordnung 50d und weist die gleiche Funktionsweise auf. Daher wird hier auf eine wiederholende Beschreibung der Funktionsweise des ersten Zusatzstromkreises 44a verzichtet. Im Unterschied zur sechsten Schaltungsanordnung 50d aus 8, induziert eine Änderung des Stromflusses durch die Spulenwicklung 12 nicht nur eine Spannung in der ersten Zusatzspulenwicklung 43a sondern auch eine Spannung in der zweiten Zusatzspulenwicklung 43b. Die induzierte Spannung bewirkt einen Stromfluss durch die Komponente 67 des zweiten Zusatzstromkreises 44b, welche als ohmscher Widerstand ausgeführt ist. Durch den Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 67 des zweiten Zusatzstromkreises 44b und den Stromfluss wird im zweiten Zusatzstromkreis 44b zusätzlich Energie abgebaut, welche im erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltelement 1a gespeichert ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine weitere Reduzierung der Belastung des als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausgeführten Aktivierungsschaltelements 32 während der Ausschaltphase. Die dargestellte Topologie der sechsten Schaltungsanordnung 60b wird vorzugsweise in Verbindung mit einer ersten Zusatzspulenwicklung 43a verwendet, welche nur eine Windung aufweist.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen, können die Schaltkontakte 24a, 24b der Schalteinheit 20 beispielsweise im Leistungsstromkreis eines Startergenerators des Fahrzeugs angeordnet werden, um beispielsweise eine Start-Stopp-Funktion im Fahrzeug zu implementieren.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor als Aktivierungsschaltelement 32 verwendet. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung eines N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors als Aktivierungsschaltelement 32 beschränkt. Vielmehr können auch andere Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren, Bipolar-Transistoren, IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode) usw. und/oder mechanische und/oder elektromechanische Schaltelemente als Aktivierungsschaltelemente 32 verwendet werden.
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Des Weiteren zeigen alle Ausführungsbeispiele eine so genannte High-Side-Konfiguration, in welcher das Aktivierungsschaltelement 32 mit wenigstens einem Anschluss mit einer positiven Energieversorgung verbunden ist. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Konfigurationsart beschränkt und kann auch für eine so genannte Low-Side-Konfiguration verwendet werden, in welcher das Aktivierungsschaltelement 32 mit wenigstens einem Anschluss mit einem Bezugspotential der Energieversorgung verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028296 A1 [0002]
