DE102019101074B4 - Relay, arrangement and method for determining an armature position of a relay - Google Patents
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Abstract
Relais (100), umfassend:
ein Joch (102) mit einer ersten Spule (103) und einer zweiten Spule (104);
einen Anker (107), der an dem Joch (102) angeordnet ist und zwischen einer geschlossenen Position, in der der Anker (107) an das Joch (102) herangezogen ist, und einer offenen Position, in der der Anker (107) von dem Joch (102) beabstandet ist, wechseln kann;
ein Federelement (109), das einen ersten elektrischen Kontakt (110) aufweist, der mit einem zweiten elektrischen Kontakt (402) in elektrische Verbindung bringbar ist;
wobei das Federelement (109) mit dem Anker (107) mechanisch gekoppelt ist, wobei durch die mechanische Kopplung eine Bewegung des Ankers (107) in Schließrichtung des Ankers (107) und in Öffnungsrichtung des Ankers (107) auf das Federelement (109) übertragbar ist,
wobei die mechanische Kopplung ein Betätigungselement (111) umfasst, das zwischen dem Anker (107) und dem Federelement (109) angeordnet ist, und wobei die mechanische Kopplung ein Eingriffselement (113) umfasst, das eingerichtet ist, in eine Öffnung (112) des Federelements (109) einzugreifen.
Relay (100) comprising:
a yoke (102) having a first coil (103) and a second coil (104);
an armature (107) which is arranged on the yoke (102) and between a closed position in which the armature (107) is pulled to the yoke (102) and an open position in which the armature (107) of the yoke (102) is spaced apart, can change;
a spring element (109) which has a first electrical contact (110) which can be brought into electrical connection with a second electrical contact (402);
the spring element (109) being mechanically coupled to the armature (107), the mechanical coupling transferring a movement of the armature (107) in the closing direction of the armature (107) and in the opening direction of the armature (107) to the spring element (109) is,
wherein the mechanical coupling comprises an actuating element (111) which is arranged between the armature (107) and the spring element (109), and wherein the mechanical coupling comprises an engaging element (113) which is arranged into an opening (112) of the Engage spring element (109).
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Relais, eine Anordnung zum Bestimmen einer Ankerstellung eines Relais und ein Verfahren.The present disclosure relates to a relay, an arrangement for determining an armature position of a relay and a method.
Relais können zum Schalten von sicherheitsrelevanten Leitungen eingesetzt werden. Hierbei können Relais mit mechanisch zwangsgeführten Kontakten eingesetzt werden. Ein solches Relais kann einem Standard genügen, beispielsweise einer EN 50205 Norm. Hierbei kann durch eine Kontaktstellung bestimmt werden, ob ein Schließverhalten eines Kontaktsatzes eines Relais eine fehlerhafte Kontaktstellung vorliegt oder nicht. Eine fehlerhafte Kontaktstellung kann ein verschweißen von Kontakten sein. Eine antivalente Kontaktstellung von beispielsweise Schließer- oder Öffnerkontakten kann sichergestellt sein. Solche Relais können in Sicherheitsschaltgeräten eingesetzt werden um sicherheitsrelevante Funktionen mit sehr geringen Ausfallwahrscheinlichkeiten zu realisieren, beispielsweise eine Not-Aus-Funktion. Solche Relais beanspruchen viel Bauraum gegenüber vergleichbaren Standardrelais.Relays can be used to switch safety-relevant lines. Relays with mechanically forcibly guided contacts can be used here. Such a relay can meet a standard, for example an EN 50205 standard. A contact position can be used to determine whether a contact set of a relay closes with a faulty contact position or not. A faulty contact position can be the welding of contacts. A complementary contact position of, for example, normally open or normally closed contacts can be ensured. Such relays can be used in safety switching devices in order to implement safety-relevant functions with a very low probability of failure, for example an emergency stop function. Such relays take up a lot of space compared to comparable standard relays.
Relaismodule sind vielseitig einsetzbar. Schmale Relaismodule weisen eine geringe Breite auf, beispielsweise kann ein solches Relaismodul eine Breite von 3mm bis 3,5 mm aufweisen. In einem solchen Relaismodul steht nur begrenzter Bauraum zur Verfügung.Relay modules are versatile. Narrow relay modules have a small width, for example such a relay module can have a width of 3 mm to 3.5 mm. Only limited installation space is available in such a relay module.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Konzept für ein Relais aufzuzeigen.It is the object of the present disclosure to show an improved concept for a relay.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beiliegenden Figuren.This object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the description and the accompanying figures.
Ein Relais in einem Relaismodul kann mehrere Spulen umfassen, die an einem einzigen Joch angeordnet sind, beispielsweise einem u-förmigen Joch. Durch Nutzung eines mehrspuligen Relais als Transformator kann durch ein Übertragungsverhalten eines Signals von einer ersten Spule zu einer zweiten Spule auf den Luftspalt und somit die Ankerstellung des Relais geschlossen werden kann. Hierfür kann das Relais eine mechanische Kopplung zwischen dem Anker und einer Feder aufweisen, so dass sicher die Ankerstellung ermittelt werden kann, auch wenn die Feder keine normale Rückstellspannung auf den Anker ausüben kann.A relay in a relay module can comprise multiple coils which are arranged on a single yoke, for example a U-shaped yoke. By using a multi-coil relay as a transformer, the air gap and thus the armature position of the relay can be closed through a transmission behavior of a signal from a first coil to a second coil. For this purpose, the relay can have a mechanical coupling between the armature and a spring, so that the armature position can be determined reliably, even if the spring cannot exert normal restoring tension on the armature.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Relais gelöst. Das Relais umfasst ein Joch mit einer ersten Spule und einer zweiten Spule; einen Anker, der an dem Joch angeordnet ist und zwischen einer geschlossenen Position, in der der Anker an das Joch herangezogen ist, und einer offenen Position, in der der Anker von dem Joch beabstandet ist, wechseln kann; ein Federelement, das einen ersten elektrischen Kontakt aufweist, der mit einem zweiten elektrischen Kontakt in elektrische Verbindung bringbar ist; wobei das Federelement mit dem Anker mechanisch gekoppelt ist, wobei durch die mechanische Kopplung eine Bewegung des Ankers in Schließrichtung des Ankers und in Öffnungsrichtung des Ankers auf das Federelement übertragbar ist.According to a first aspect, the object is achieved by a relay. The relay includes a yoke having a first coil and a second coil; an armature which is arranged on the yoke and can switch between a closed position in which the armature is pulled towards the yoke and an open position in which the armature is spaced apart from the yoke; a spring element having a first electrical contact which can be brought into electrical connection with a second electrical contact; wherein the spring element is mechanically coupled to the armature, wherein a movement of the armature in the closing direction of the armature and in the opening direction of the armature can be transmitted to the spring element by the mechanical coupling.
In der geschlossenen Position kann der Anker von dem Joch angezogen werden. Hierbei durchströmt ein Strom die erste Spule und die zweite Spule. Dies kann ein Ansteuersignal sein, das dazu dient, das Relais zu schalten. In der offenen Position wird kein Ansteuersignal gesendet der Anker wird nicht durch das Joch angezogen. Die Rückstellung von der geschlossenen Position in die offene Position kann durch das Federelement erfolgen. Das Federelement übt während eines normalen Betriebs über die mechanische Kopplung eine Kraft auf den Anker aus, die entgegen der Anziehrichtung wirkt, d.h. den Anker von dem Joch wegdrückt.In the closed position, the armature can be attracted to the yoke. A current flows through the first coil and the second coil. This can be a control signal that is used to switch the relay. In the open position, no control signal is sent - the armature is not attracted by the yoke. The resetting from the closed position to the open position can be carried out by the spring element. During normal operation, the spring element exerts a force on the armature via the mechanical coupling which acts against the tightening direction, i.e. pushes the armature away from the yoke.
Das Federelement kann eine Kontaktfeder sein und kann einen ersten elektrischen Kontakt aufweisen. Der erste elektrische Kontakt kann ein Bewegtkontakt sein und in dem Federelement angeordnet sein. Der erste elektrische Kontakt wird somit mit der Federbewegung mitbewegt. Der zweite elektrische kontakt kann ein Festkontakt sein. Der zweite elektrische Kontakt kann mit einem Gehäuse des Relais mechanisch verbunden sein, insbesondere an dem Gehäuse festgelegt sein. Wird der Anker von dem Joch angezogen, überträgt die mechanische Kopplung die Bewegung auf das Federelement und das Federelement wird in Richtung des zweiten elektrischen Kontakts bewegt. In der geschlossenen Position hat der erste elektrische Kontakt mit dem zweiten elektrischen Kontakt eine elektrische Verbindung. Die mechanische Kopplung überträgt eine mechanische Kraft von dem Anker an wenigstens einer Betätigungsstelle auf das Federelement.The spring element can be a contact spring and can have a first electrical contact. The first electrical contact can be a moving contact and can be arranged in the spring element. The first electrical contact is thus moved along with the spring movement. The second electrical contact can be a fixed contact. The second electrical contact can be mechanically connected to a housing of the relay, in particular fixed to the housing. If the armature is attracted by the yoke, the mechanical coupling transfers the movement to the spring element and the spring element is moved in the direction of the second electrical contact. In the closed position, the first electrical contact has an electrical connection with the second electrical contact. The mechanical coupling transmits a mechanical force from the armature to the spring element at at least one actuation point.
Die mechanische Kopplung des Ankers mit dem Federelement dient zum einen der Übertragung der Anziehbewegung des Ankers an das Joch auf das Federelement, um den ersten elektrische Kontakt in elektrische Verbindung mit dem zweiten elektrischen Kontakt zu bringen. Zum anderen dient die mechanische Kopplung dazu, den Anker an einer Rückkehr in die offene Position zu behindern, falls das Federelement nicht vollständig in die Ausgangsposition zurückkehren kann, beispielsweise durch verschweißte Kontakte oder eine andere Fehlstellung. Der Anker kann in einer Zwangsführung mit dem Federelement verbunden sein, was zu einer Erkennung der Ankerposition beiträgt. Hierdurch sind klare Schaltzustände definiert. Ist der Kontakt des Relais geschlossen, ist der Anker in Arbeitslage. Ist der Kontakt verschweißt oder halb geöffnet, ist der Anker mit leicht geöffnetem Arbeitsluftspalt angeordnet. Ist der Kontakt sicher geöffnet, d.h. gemäß En 50205 ein Kontaktabstand zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt von mehr als 0,5 mm, ist der Anker bei maximalem Arbeitsluftspalt geöffnet.The mechanical coupling of the armature to the spring element serves, on the one hand, to transmit the tightening movement of the armature to the yoke to the spring element in order to bring the first electrical contact into electrical connection with the second electrical contact. On the other hand, the mechanical coupling serves to keep the anchor on a return to hinder in the open position, if the spring element cannot return completely to the starting position, for example due to welded contacts or some other misalignment. The armature can be connected to the spring element in a forced guidance, which contributes to a recognition of the armature position. This means that clear switching states are defined. If the contact of the relay is closed, the armature is in the working position. If the contact is welded or half-open, the armature is arranged with the working air gap slightly open. If the contact is safely open, ie according to EN 50205 a contact distance between the first electrical contact and the second electrical contact of more than 0.5 mm, the armature is open at the maximum working air gap.
In einer Ausgestaltung umfasst das Federelement eine Blattfeder. Eine Blattfeder kann eine kompakte Bauform aufweisen.In one embodiment, the spring element comprises a leaf spring. A leaf spring can have a compact design.
Erfindungsgemäß umfasst die mechanische Kopplung ein Betätigungselement, das zwischen dem Anker und dem Federelement angeordnet ist.According to the invention, the mechanical coupling comprises an actuating element which is arranged between the armature and the spring element.
Das Betätigungselement kann an dem Anker festgelegt sein, insbesondere durch eine kraftschlüssige Verbindung. Das Betätigungselement kann mit dem Anker mechanisch verbunden sein, insbesondere starr verbunden sein, beispielsweise umspritzt, verklebt oder aufgesteckt sein. Das Betätigungselement kann in Zusammenspiel mit Ausformungen des Gehäuses des Relais eine Ankerbewegung begrenzen, insbesondere eine Bewegung senkrecht zu einer Anziehrichtung an das Joch begrenzen. Das Betätigungselement kann mit dem Federelement verbunden sein, insbesondere das Federelement umgreifen. Die konstruktiv realisierte Führung des Betätigungselements in der dem Federelement kann dazu beitragen eine Fehlstellung sicher zu erkennen.The actuating element can be fixed to the armature, in particular by means of a non-positive connection. The actuating element can be mechanically connected to the armature, in particular rigidly connected, for example encapsulated, glued or slipped on. The actuating element can, in interaction with formations of the housing of the relay, limit an armature movement, in particular limit a movement perpendicular to a tightening direction on the yoke. The actuating element can be connected to the spring element, in particular encompassing the spring element. The structurally implemented guidance of the actuating element in the spring element can contribute to reliably detecting a misalignment.
Erfindungsgemäß umfasst die mechanische Kopplung ein Eingriffselement, das eingerichtet ist, in eine Öffnung des Federelements einzugreifen.According to the invention, the mechanical coupling comprises an engagement element which is designed to engage in an opening of the spring element.
Das Eingriffselement kann ein Führungszapfen sein. Das Eingriffselement kann Teil des Betätigungselements sein. Das Federelement kann eine Öffnung aufweisen. Die Öffnung kann an einem Rand des Federelements gebildet sein. Die Öffnung kann an einem frei wählbaren Punkt um das Federelement herum angeordnet sein, insbesondere im Bereich des ersten elektrischen Kontakts. Durch die Öffnung kann das Eingriffselement eingreifen und so das Betätigungselement an dem Federelement so fixieren, dass ein Verrutschen des Betätigungselements gehemmt wird. Die Öffnung kann schlitzförmig sein. Durch die Öffnung kann das Eingriffselement während der Montage gefügt werden und im gefügten Zustand durch den Mitnehmer die Zwangsführung zwischen dem Betätigungselement, dem Anker und dem Federelement sicherstellen.The engagement element can be a guide pin. The engagement element can be part of the actuation element. The spring element can have an opening. The opening can be formed on an edge of the spring element. The opening can be arranged at a freely selectable point around the spring element, in particular in the area of the first electrical contact. The engagement element can engage through the opening and thus fix the actuation element on the spring element in such a way that the actuation element is prevented from slipping. The opening can be slit-shaped. The engagement element can be joined through the opening during assembly and, in the joined state, ensure the positive guidance between the actuating element, the armature and the spring element by the driver.
In einer Ausgestaltung umfasst das Eingriffselement einen Mitnehmer, der eingerichtet ist, das Federelement in Öffnungsrichtung des Ankers mitzunehmen.In one embodiment, the engagement element comprises a driver which is set up to take along the spring element in the opening direction of the armature.
Der Mitnehmer kann ein Kammsteg sein. Der Mitnehmer kann als Vorsprung an dem Eingriffselement ausgebildet sein. Der Mitnehmer und das Eingriffselement können einstückig oder mehrstückig ausgestaltet sein. Der Mitnehmer kann in eine Öffnung des Eingriffselements eingesteckt sein, und von diesem hervorstehen, um das Federelement zu umgreifen.The driver can be a comb web. The driver can be designed as a projection on the engagement element. The driver and the engagement element can be designed in one piece or in several pieces. The driver can be inserted into an opening of the engagement element and protrude from this in order to grip around the spring element.
Durch den Mitnehmer kann sichergestellt werden, dass der Anker und das Federelement ständig miteinander mechanisch gekoppelt sind. Hierdurch wird ein Rückstellen des Ankers von der geschlossenen Position in die offene Position behindert, wenn das Federelement diese Bewegung nicht folgen kann, beispielsweise bei einer Verschweißung des ersten elektrischen Kontakts mit dem zweiten elektrischen Kontakt.The driver can ensure that the armature and the spring element are constantly mechanically coupled to one another. This prevents the armature from being reset from the closed position to the open position if the spring element cannot follow this movement, for example when the first electrical contact is welded to the second electrical contact.
Somit überträgt sich eine Fehlstellung des Federelements auf den Anker und es kommt zu einer Fehlstellung des Ankers. Die Fehlstellung des Ankers kann wie unten beschrieben detektiert werden und somit kann zuverlässig eine Fehlstellung des Federelements detektiert werden. Dies bedeutet, dass ein fehlerhaftes Kontaktverhalten des ersten elektrischen Kontakts und des zweiten elektrischen Kontakts sicher erfasst werden kann.A misalignment of the spring element is thus transmitted to the armature and the armature is misaligned. The misalignment of the armature can be detected as described below and thus a misalignment of the spring element can be reliably detected. This means that incorrect contact behavior of the first electrical contact and the second electrical contact can be reliably detected.
In einer Ausgestaltung ist die mechanische Kopplung eingerichtet, an einer ersten Seite des Federelements eine Kraft aufzubringen, wenn der Anker in die geschlossene Position gebracht wird und an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite durch den Mitnehmer eine Kraft auf das Federelement aufzubringen, wenn der Anker in die offene Position gebracht werden soll.In one embodiment, the mechanical coupling is designed to apply a force to a first side of the spring element when the armature is brought into the closed position and to apply a force to the spring element by the driver on a second side opposite the first side when the armature should be brought into the open position.
Der Anker kann durch das Federelement von der geschlossenen Position in die offene Position gebrachte werden. Wird das Federelement blockiert, beispielsweise bei einer Fehlstellung, insbesondere bei verschweißten ersten und zweiten Kontakten, so könnte der Anker beliebig zwischen der offenen und der geschlossenen Position wechseln, beispielsweise bei einem Schütteln oder Rütteln des Gehäuses des Relais. Durch die mechanische Koppelung mit dem Federelement kann der Anker hierbei eine Kraft auf das Federelement ausüben, was dazu führt, dass der Anker nicht in die offene Position zurückkehren kann, wenn das Federelement blockiert ist.The anchor can be brought from the closed position into the open position by the spring element. If the spring element is blocked, for example in the event of a misalignment, in particular if the first and second contacts are welded, the armature could switch between the open and the closed position as desired, for example when the housing of the relay is shaken or shaken. As a result of the mechanical coupling with the spring element, the armature can exert a force on the spring element, which means that the armature cannot return to the open position when the spring element is blocked.
In einer Ausgestaltung umfasst die Öffnung des Federelements eine Kerbe oder ein Loch.In one embodiment, the opening of the spring element comprises a notch or a hole.
Ist die Öffnung ein Loch, kann das Eingriffselement durch das Loch greifen und der Mitnehmer kann bei der Montage von der gegenüberliegenden Seite so an dem Eingriffselement befestigt werden, dass das Eingriffselement nicht mehr durch das Loch zurück rutschen kann. Ist die Öffnung eine Kerbe, d.h. am Rand des Federelements angeordnet, kann dies eine Montage erleichtern, da das Eingriffselement seitlich in das Federelement eingeschoben werden kann. Die Kerbe kann eine offene Seite umfassen.If the opening is a hole, the engagement element can engage through the hole and the driver can be attached to the engagement element during assembly from the opposite side in such a way that the engagement element can no longer slip back through the hole. If the opening is a notch, i.e. is arranged on the edge of the spring element, this can facilitate assembly, since the engagement element can be pushed laterally into the spring element. The notch can include an open side.
In einer Ausgestaltung umfasst die Öffnung eine Kerbe, wobei der Mitnehmer und das Eingriffselement einstückig sind und in die Kerbe eingreifen.In one embodiment, the opening comprises a notch, the driver and the engagement element being in one piece and engaging in the notch.
Ist die Öffnung als Kerbe ausgebildet, d.h. weist das Federelement eine Kerbe bzw. Einbuchtung am Rand des Federelements auf, kann das Eingriffselement und der Mitnehmer einstückig ausgebildet sein und bei einer Montage seitlich in das Federelement geschoben werden.If the opening is designed as a notch, i.e. if the spring element has a notch or indentation on the edge of the spring element, the engagement element and the driver can be made in one piece and pushed laterally into the spring element during assembly.
In einer Ausgestaltung weisen die erste Spule einen ersten Anschluss und die zweite Spule einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss eingerichtet ist, mit einem Signalgeber verbunden zu werden und der zweite Anschluss eingerichtet ist, mit einer Messvorrichtung verbunden zu werden.In one configuration, the first coil has a first connection and the second coil has a second connection, the first connection being set up to be connected to a signal transmitter and the second connection being set up to be connected to a measuring device.
Über den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss kann eine Erfassung der Ankerstellung erfolgen, wie unten beschrieben.The armature position can be detected via the first connection and the second connection, as described below.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Anordnung zum Bestimmen einer Ankerstellung eines Relais gemäß dem ersten Aspekt gelöst, wobei die erste Spule an einem ersten Abschnitt des Jochs und die zweite Spule an einem zweiten Abschnitt des Jochs angeordnet sind, wobei der Anker des Relais durch einen Luftspalt von dem Joch beabstandet ist, mit:
- einem Signalgeber, der mit der ersten Spule elektrisch verbunden und eingerichtet ist, ein erstes Signal an die erste Spule auszusenden, und
- einer Messvorrichtung, die mit der zweiten Spule elektrisch verbunden und eingerichtet ist, ein zweites Signal an der zweiten Spule zu erfassen, wobei das zweite Signal ein Antwortsignal auf eine Anregung der ersten Spule mit dem ersten Signal ist,
- wobei die Anordnung eingerichtet ist, basierend auf dem zweiten Signal die Ankerstellung des Relais zu bestimmen.
- a signal generator which is electrically connected to the first coil and is set up to transmit a first signal to the first coil, and
- a measuring device which is electrically connected to the second coil and is set up to detect a second signal at the second coil, the second signal being a response signal to an excitation of the first coil with the first signal,
- wherein the arrangement is set up to determine the armature position of the relay based on the second signal.
Die Anordnung dient zum Bestimmen einer Ankerstellung eines Relais. Das Joch kann ein u-förmiges Joch sein. Die erste Spule kann an einem ersten Schenkel des u-förmigen Jochs und die zweite Spule an einem dem ersten Schenkel gegenüberliegenden zweiten Schenkel des u-förmigen Jochs angeordnet sein. Der Anker kann von wenigstens einem Schenkel des u-förmigen Jochs durch einen Luftspalt beabstandet sein.The arrangement is used to determine an armature position of a relay. The yoke can be a U-shaped yoke. The first coil can be arranged on a first leg of the U-shaped yoke and the second coil on a second leg of the U-shaped yoke opposite the first leg. The armature can be spaced from at least one leg of the U-shaped yoke by an air gap.
Der Signalgeber kann ein Signalgenerator sein. Der Signalgeber kann ein Mikrocontroller sein.The signal generator can be a signal generator. The signal transmitter can be a microcontroller.
Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein, an der zweiten Spule das von der ersten Spule an die zweite Spule übertragene zweite Signal zu erfassen und hieraus eine Übertragungseigenschaft von der ersten Spule an die zweite Spule zu bestimmen und aus der Übertragungseigenschaft eine Größe des Luftspalts zu ermitteln. Die Übertragungseigenschaft kann eine Veränderung des zweiten Signals im Vergleich zu einem zweiten Signal zu einem anderen Zeitpunkt sein.The measuring device can be set up to detect the second signal transmitted from the first coil to the second coil on the second coil and from this to determine a transmission property from the first coil to the second coil and to determine a size of the air gap from the transmission property. The transmission property can be a change in the second signal compared to a second signal at a different point in time.
Das magnetische Übertragungsverhalten zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule des Relais kann von der Größe des Luftspalts, d.h. des Arbeitsluftspalts des Ankers, abhängig sein, insbesondere aufgrund einer Reluktanz des magnetischen Kreises. Das Relais hat bei elektrisch getrennten Spulen die Anordnung eines Transformators, wobei das Übertragungsverhalten, d.h. der Kopplungsfaktor, zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule veränderlich ist und eine Korrelation zum Luftspalt des Ankers aufweist.The magnetic transmission behavior between the first coil and the second coil of the relay can depend on the size of the air gap, i.e. the working air gap of the armature, in particular due to a reluctance of the magnetic circuit. With electrically separated coils, the relay has the arrangement of a transformer, the transmission behavior, i.e. the coupling factor, being variable between the first coil and the second coil and having a correlation to the air gap of the armature.
Befindet sich das Federelement in einer Fehlstellung, wird durch die mechanische Kopplung die Fehlstellung auf den Anker übertragen, was einer Ankerfehlstellung entspricht. Diese Ankerfehlstellung kann, wie oben beschrieben, erfasst werden. Somit kann bestimmt werden, ob das Relais verschweißte Kontakte hat oder normal schaltet.If the spring element is in a misalignment, the mechanical coupling transfers the misalignment to the armature, which corresponds to an armature misalignment. This anchor misalignment can be detected as described above. In this way it can be determined whether the relay has welded contacts or switches normally.
In einer Ausgestaltung ist der Signalgeber eingerichtet, als erstes Signal ein von einem das Relais ansteuernden Ansteuersignal zum Anziehen des Ankers verschiedenes Signal auszusenden.In one embodiment, the signal transmitter is set up to send out as a first signal a signal that is different from a control signal that controls the relay for attracting the armature.
Um den Anker des Relais während einer üblichen Funktion des Relais anzuziehen, kann die erste Spule und/oder die zweite Spule des Relais von einem Ansteuersignal durchflossen sein, um den Anker anzuziehen. Der Signalgeber kann eingerichtet sein, unabhängig von dem Ansteuersignal das erste Signal auszusenden. Hierdurch wird ein unabhängiges Sicherheitsmerkmal generiert, das auch Fehlstellungen bei an sich unauffälligen Ansteuersignalen erkennen kann.In order to attract the armature of the relay during a normal function of the relay, a control signal can flow through the first coil and / or the second coil of the relay in order to attract the armature. The signal transmitter can be set up to transmit the first signal independently of the control signal. As a result, an independent security feature is generated which can also detect incorrect positions in the case of control signals that are inconspicuous in themselves.
In einer Ausgestaltung sind der Signalgeber an einem Mittenkontakt der ersten Spule und/oder die Messvorrichtung an einem Mittenkontakt der zweiten Spule angeschlossen.In one embodiment, the signal transmitter is connected to a center contact of the first coil and / or the measuring device is connected to a center contact of the second coil.
Hierbei kann der elektrische Kontakt zu der jeweiligen Spule zwischen zwei Endkontakten der jeweiligen Spule angeordnet sein.Here, the electrical contact to the respective coil can be arranged between two end contacts of the respective coil.
In einer Ausgestaltung umfasst das erste Signal ein Sinussignal und die Anordnung ist eingerichtet, basierend auf einer Amplitudenverschiebung des Frequenzgangs des zweiten Signals die Ankerstellung des Relais zu bestimmen.In one embodiment, the first signal comprises a sinusoidal signal and the arrangement is set up to determine the armature position of the relay based on an amplitude shift of the frequency response of the second signal.
Bei der Übertragung des ersten Signals an die zweite Spule kann im Bodediagramm über einen Frequenzbereich je nach Größe des Luftspalts eine Dämpfung entstehen, d.h. das zweite Signal kann eine Dämpfung aufweisen, die von dem Luftspalt abhängig ist. Ein großer Luftspalt kann eine größere Dämpfung hervorrufen, als ein kleiner Luftspalt. Die Dämpfung kann proportional zur Größe des Luftspalts sein. Aus dieser Dämpfung kann somit eine Fehlstellung des Ankers erkannt werden. Hierzu können verschiedene Dämpfungen verschiedenen Ankerstellungen zugeordnet sein. Abweichungen der Dämpfungen bei einem Vergleich der bereits zugeordneten Dämpfungen können eine Fehlstellung anzeigen. Hierbei kann die Übertragungseigenschaft des Relais im Frequenzbereich genutzt werden, um die Ankerstellung zu erkennen.When the first signal is transmitted to the second coil, attenuation can occur in the Bode diagram over a frequency range depending on the size of the air gap, i.e. the second signal can have attenuation that is dependent on the air gap. A large air gap can cause greater damping than a small air gap. The damping can be proportional to the size of the air gap. A misalignment of the armature can thus be recognized from this damping. For this purpose, different attenuations can be assigned to different armature positions. Deviations in the attenuation when comparing the attenuation that has already been assigned can indicate a misalignment. The transmission properties of the relay in the frequency range can be used to identify the armature position.
In einer Ausgestaltung umfasst das erste Signal einen Spannungssprung, insbesondere einen Spannungsimpuls, und die Anordnung eingerichtet, basierend auf einer Veränderung einer Sprungantwort die Ankerstellung des Relais zu bestimmen.In one embodiment, the first signal comprises a voltage jump, in particular a voltage pulse, and the arrangement is set up to determine the armature position of the relay based on a change in a step response.
Hierbei kann die Übertragungseigenschaft des Relais im Zeitbereich genutzt werden, um die Ankerstellung zu erkennen. Das zweite Signal kann abhängig von dem Luftspalt ein unterschiedlich hohes Maximum zu einem Zeitpunkt aufweisen, der ebenfalls von dem Luftspalt abhängig ist.The transmission properties of the relay in the time domain can be used to recognize the armature position. Depending on the air gap, the second signal can have a maximum of different magnitudes at a point in time which is also dependent on the air gap.
In einer Ausgestaltung umfasst die Veränderung der Sprungantwort eine zeitliche Verschiebung und/oder eine Amplitudenänderung des zweiten Signals. Die Auswirkungen des Luftspalts auf das Antwortsignal können als eine zeitliche Verschiebung und als eine Dämpfung der Sprungantwort auftreten. Aus einer der beiden Eigenschaften alleine oder aus einer Kombination beider Eigenschaften kann die Größe des Luftspalts und somit die Ankerstellung bestimmt werden.In one embodiment, the change in the step response includes a time shift and / or a change in amplitude of the second signal. The effects of the air gap on the response signal can occur as a time shift and as a damping of the step response. The size of the air gap and thus the armature position can be determined from one of the two properties alone or from a combination of both properties.
In einer Ausgestaltung ist die Anordnung mit dem Relais in einem Relaismodul, insbesondere einem Relaismodul mit einer Breite von 3,5 mm angeordnet. Dies stellt einen flachen Aufbau dar und kann somit platzsparend angeordnet werden. Die Bestimmung der Ankerstellung kann eine Sicherheitsfunktion des Relaismoduls darstellen.In one embodiment, the arrangement with the relay is arranged in a relay module, in particular a relay module with a width of 3.5 mm. This represents a flat structure and can thus be arranged in a space-saving manner. The determination of the armature position can represent a safety function of the relay module.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Ankerstellung eines Relais gemäß dem ersten Aspekt gelöst, mit:
- Senden eines ersten Signals von einem Signalgeber an die erste Spule an einem ersten Abschnitt des Jochs des Relais;
- Erfassen eines zweiten Signals an der zweiten Spule an einem zweiten Abschnitt des Jochs durch eine Messvorrichtung, wobei das zweite Signal ein Antwortsignal auf eine Anregung der ersten Spule mit dem ersten Signal ist;
- Bestimmen der Ankerstellung des Relais basierend auf dem zweiten Signal.
- Sending a first signal from a transducer to the first coil on a first portion of the yoke of the relay;
- Detecting a second signal at the second coil at a second portion of the yoke by a measuring device, wherein the second signal is a response signal to an excitation of the first coil with the first signal;
- Determining the armature position of the relay based on the second signal.
In einer Ausgestaltung umfasst das Senden des ersten Signals das Senden eines Spannungssprungs, insbesondere eines Spannungsimpulses, und das Bestimmen der Ankerstellung das Ermitteln einer Veränderung einer Sprungantwort, insbesondere einer Impulsantwort. Die Antwort auf einen Spannungssprung kann eine Sprungantwort sein. Die Antwort auf einen Spannungsimpuls kann eine Impulsantwort sein. Die Bestimmung kann zusätzlich oder alternativ auch anhand weiterer Eigenschaften, wie einer Induktivität, erfolgen.In one embodiment, sending the first signal includes sending a voltage jump, in particular a voltage pulse, and determining the armature position, determining a change in a step response, in particular an impulse response. The answer to a voltage jump can be a step response. The response to a voltage pulse can be an impulse response. The determination can additionally or alternatively also take place on the basis of further properties, such as an inductance.
In einer Ausgestaltung umfasst das Ermitteln einer Veränderung der Sprungantwort ein Ermitteln einer zeitlichen Verschiebung und/oder ein Ermitteln einer Amplitudenänderung des zweiten Signals.In one embodiment, determining a change in the step response includes determining a time shift and / or determining a change in amplitude of the second signal.
In einer Ausgestaltung ist die zeitliche Länge des ersten Signals kurz gegenüber mechanischen Zeitkonstanten des Relais. Hierbei kann eine geringere Leistung übertragen werden, als bei einer Anregung der ersten Spule bzw. zweiten Spule zum Anziehen des Ankers. Insbesondere wird das Übertragungsverhalten der Spannungen an den Spulen genutzt. Das heißt, das Übertragungsverhalten wird leistungslos gemessen, im Verhältnis zu einer Anregung der Spulen zum Anziehen des Ankers. D.h., das erste Signal weist eine im Vergleich zum Anziehen des Ankers notwendigen Leistung geringe Leistung auf. Hierbei können magnetische Sättigungseffekte ausgeschlossen werden. Im nicht abgefallenen Zustand des Ankers, also in einer möglichen Fehlstellung des Ankers, werden die erste Spule und die zweite Spule gegebenenfalls nicht von einer Betriebserregung bestromt. Durch die geringe Leistung des ersten Signals kann ein ungewolltes Anziehen des Ankers verhindert werden.In one embodiment, the length of time of the first signal is short compared to mechanical time constants of the relay. In this case, a lower power can be transmitted than when the first coil or the second coil is excited to attract the armature. In particular, the transmission behavior of the voltages on the coils is used. This means that the transmission behavior is measured without power, in relation to an excitation of the coils to attract the armature. This means that the first signal has a low power compared to the power required to attract the armature. Magnetic saturation effects can be excluded here. When the armature has not dropped out, that is to say in a possible incorrect position of the armature, the first coil and the second coil may not be energized by an operational excitation. The low power of the first signal can prevent unwanted tightening of the armature.
In einer Ausgestaltung umfasst das Senden des ersten Signals das Senden eines Sinussignals und das Bestimmen der Ankerstellung das Ermitteln einer Amplitudenverschiebung des Frequenzgangs des zweiten Signals.In one embodiment, sending the first signal includes sending a sinusoidal signal and determining the armature position includes determining an amplitude shift in the frequency response of the second signal.
In einer Ausgestaltung umfasst das Bestimmen der Ankerstellung das Ermitteln einer Verstärkung des Frequenzgangs des zweiten Signals. Die Verstärkung des zweiten Signals entspricht der übertragungsbedingten Dämpfung. Eine negative Verstärkung entspricht hierbei einer Dämpfung.In one embodiment, the determination of the armature position includes the determination of an amplification of the frequency response of the second signal. The gain of the second signal corresponds to the transmission-related attenuation. A negative gain corresponds to a damping.
In einer Ausgestaltung umfasst das Senden des ersten Signals das Senden eines von einem das Relais ansteuernden Ansteuersignal verschiedenen Signals.In one embodiment, the sending of the first signal comprises the sending of a signal different from a control signal that controls the relay.
Hierbei lassen sich ein Maximum, d.h. ein Spitzenwert, und die Zeit der Sprungantwort, d.h. der Zeitpunkt des Maximums, im Antwortsignal auswerten, um einer Fehlstellung des Ankers zu erkennen. Nach Anlegen eines Spanungssprungs an die erste Spule erreicht die Spannung an der zweiten Spule ein bestimmtes Maximum und geht dann zurück, insbesondere auf null zurück. Das Maximum ist hierbei von der Größe des Luftspalts abhängig. Das Maximum wird bei größer werdendem Luftspalt kleiner, ist also umgekehrt proportional zur Größe des Luftspalts. Ebenso verschiebt sich die Zeit, an der das Maximum erreicht wird und die Abklingzeit des zweiten Signals umgekehrt proportional zum Luftspalt.A maximum, i.e. a peak value, and the time of the step response, i.e. the point in time of the maximum, can be evaluated in the response signal in order to detect a misalignment of the armature. After applying a voltage jump to the first coil, the voltage on the second coil reaches a certain maximum and then goes back, in particular back to zero. The maximum depends on the size of the air gap. The maximum becomes smaller as the air gap increases and is therefore inversely proportional to the size of the air gap. The time at which the maximum is reached and the decay time of the second signal are also shifted in inverse proportion to the air gap.
In einer Ausgestaltung wird beim Senden des ersten Signals ein Signal gesendet, dessen Leistung niedriger ist, als die Leistung eines das Relais ansteuernden Ansteuersignals. Somit kann ein Anziehen des Ankers durch das erste Signal verhindert werden. Hierdurch wird die eigentliche Funktion des Relais von der Erfassung der Ankerstellung entkoppelt.In one embodiment, when the first signal is sent, a signal is sent, the power of which is lower than the power of a control signal that controls the relay. Thus, the armature can be prevented from being attracted by the first signal. This decouples the actual function of the relay from the detection of the armature position.
Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Relais gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine weitere schematische Darstellung des Relais gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3a eine schematische Schnittdarstellung des Relais aus2 entlang der Schnittkante B; -
3b eine Vergrößerung des mit einem Kreis markierten Details aus3a ; -
4a eine schematische Schnittdarstellung des Relais aus2 entlang der Schnittkante A; -
4b eine Vergrößerung des mit einem Kreis markierten Details aus4a ; -
5 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Relais gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
6 Frequenzverläufe eines Antwortsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
7 Antwortsignale im Zeitbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
8 ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a perspective schematic representation of a relay according to an embodiment; -
2 a further schematic representation of the relay according to an embodiment; -
3a a schematic sectional view of the relay2 along the cutting edge B; -
3b an enlargement of the detail marked with a circle3a ; -
4a a schematic sectional view of the relay2 along the cutting edge A; -
4b an enlargement of the detail marked with a circle4a ; -
5 a schematic representation of an arrangement with a relay according to an embodiment; -
6th Frequency curves of a response signal according to an embodiment; -
7th Response signals in the time domain according to an embodiment; and -
8th a flowchart for a method according to an embodiment.
Das Relais
Das Relais
Das Relais
Das Relais
Das Relais
Die
Das Federelement
Das Eingriffselement
In
Wird der Anker
Im Bereich der Öffnung
Um die Ankerstellung zu überprüfen weist die Anordnung
Der Signalgeber
Der Signalgeber
Die Anordnung
Die Messvorrichtung
Durch die Anordnung der ersten Spule
Die Messvorrichtung
Das Antwortsignal stellt das zweite Signal dar. Das zweite Signal entspricht dem durch die elektromagnetischen Eigenschaften des Relais
Die Veränderungen des zweiten Signals im Vergleich zum ersten Signal, aber auch im Vergleich zu unterschiedlichen zweiten Signalen, hängt auch von der Art des ersten Signals ab.The changes in the second signal compared to the first signal, but also compared to different second signals, also depends on the type of the first signal.
Der erste Frequenzverlauf
Der erste Frequenzverlauf
Hierbei ist neben dem absoluten Wert der Dämpfung auch das Verhältnis von Dämpfungswerten an verschiedenen Frequenzen, beispielsweise bei 10 Hz und bei 1 Hz, ein charakteristisches Merkmal für den Luftspalt. Hierzu werden die Dämpfungswerte bei den jeweiligen Frequenzhöhen zueinander in Relation gesetzt. Beispielsweise wird der Wert der Verstärkung bei einer Frequenz von 10 Hz durch den Wert der Verstärkung bei 1 Hz geteilt. In weiteren Ausführungsbeispielen wird die Größe des Luftspalts
Eine Mehrzahl von Antwortsignalen
Die Messvorrichtung
In Schritt
In mehreren aufeinanderfolgenden Wiederholungen des Verfahrens ist das erste Signal hierbei konstant. Das erste Signal kann auch eine Kombination zeitlich versetzt angeordneter verschiedener Signale sein.The first signal is constant in several successive repetitions of the method. The first signal can also be a combination of different signals arranged at different times.
In Schritt
In Schritt
Hierzu kann der Verlauf des zweiten Signals mit vorhergehenden Verläufen vorher erfasster zweiter Signale oder mit einem Referenzwert aus einem Speicher verglichen werden.For this purpose, the course of the second signal can be compared with previous courses of previously recorded second signals or with a reference value from a memory.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- Relaisrelay
- 101101
- Gehäusecasing
- 102102
- Jochyoke
- 103103
- erste Spulefirst coil
- 104104
- zweite Spulesecond coil
- 105105
- erster Abschnittfirst section
- 106106
- zweiter Abschnittsecond part
- 107107
- Ankeranchor
- 109109
- FederelementSpring element
- 110110
- erster elektrischer Kontaktfirst electrical contact
- 111111
- BetätigungselementActuator
- 112112
- Öffnungopening
- 113113
- EingriffselementEngagement element
- 114114
- MitnehmerCarrier
- 401401
- LuftspaltAir gap
- 402402
- zweiter elektrischer Kontaktsecond electrical contact
- 403403
- Achseaxis
- 500500
- Anordnungarrangement
- 501501
- SignalgeberSignal transmitter
- 502502
- MessvorrichtungMeasuring device
- 600600
- Diagrammdiagram
- 601 - 603601-603
- FrequenzverlaufFrequency curve
- 701701
- Signalsignal
- 702702
- AntwortsignaleResponse signals
- 703703
- Maximummaximum
- 800800
- Flussdiagrammflow chart
- 801 - 803801-803
- VerfahrensschrittProcess step
- T0T0
- Zeitpunkttime
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