DE19609608C2 - Verfahren zur Messung der Anker-Anzugspannung und der Anker-Durchzugsspannung eines Schaltrelais - Google Patents
Verfahren zur Messung der Anker-Anzugspannung und der Anker-Durchzugsspannung eines SchaltrelaisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung
der Anker-Auszugsspannung und der
Anker-Durchzugsspannung eines
Schaltrelais.
Aus der DE 41 29 265 A1 ist ein elektromagnetisches Schalt
gerät mit einem Klappankermagnetkern bekannt, bei dem der
Magnetkern mit einem Magnetflußsensor zur Ermittlung einer
dem magnetischen Fluß proportionalen Größe verbunden ist.
Als Magnetflußsensor wird ein Hallsensorelement verwandt,
das außen an dem Magnetkern angebracht ist und das um den
Magnetkern herum existierende Streufeld registriert. Im ge
öffneten Zustand ist der Anker durch einen Luftspalt vom Ma
gnetkern getrennt. Zum Schließen des Schaltgerätes wird der
Erregerspule eine entsprechend große Leistung durch eine Er
höhung der Spulenspannung zugeführt. Der Anker wird nun
durch das magnetische Feld in Richtung des Magnetkerns ange
zogen bis er auf dem Magnetkern aufliegt. Durch diese Anker
bewegung wird der magnetische Widerstand des Magnetkreises
und damit der magnetische Fluß verändert. Die Änderung des
magnetischen Flusses wird durch eine in einem Hallsensorele
ment durch das magnetische Streufeld hervorgerufene Hall
spannung ermittelt, die proportional zum magnetischen Fluß
ist. Diese Hallspannung wird als Eingangsgröße mit einer
elektronischen Regeleinrichtung verbunden. Über die Regel
einrichtung wird die der Erregerspule zugeführte Spannung
kontinuierlich geregelt und die Verlustleistung reduziert.
Das bekannte Verfahren wird zur Regelung der Spulenspannung
eines Schaltgerätes benutzt, wobei das Hallsensorelement im
mer mit dem Magnetkern des Schaltgerätes fest verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk
malen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß bei einem
elektromagnetischen Relais, welches eine aus zwei Festkon
takten und einem beweglichen Kontakt bestehende Kontaktein
richtung aufweist, die Anker-Anzugsspannung und die Anker-
Durchzugsspannung exakt gemessen werden können. Die Anker-
Anzugsspannung ist der Spannungswert der Spulenspannung, bei
welchem ein mit dem Anker des Relais über ein Kontaktfeder
blatt verbundener beweglicher Kontakt einen Festkontakt im
geschlossenen Zustand des Schaltrelais kontaktiert, während
die Anker-Durchzugsspannung der Wert der Spulenspannung ist,
bei dem der Anker den Magnetkern der Spule unter Bildung ei
nes geschlossenen Magnetkreises berührt. Da beide Spannungs
werte die Schaltdynamik und den Arbeitsbereich des jeweili
gen Relaistyps kennzeichnen, ist ihre genaue Kenntnis zur
exakten Ansteuerung eines Relais unerläßlich. So ist es zum
Beispiel bei einer genauen Kenntnis der Anker-Anzugsspannung
möglich, die Spulenspannung so auszusteuern, daß ihr Wert im
geöffneten Zustand des Schaltrelais etwas niedriger als die
Anker-Anzugsspannung ist. Bereits durch eine kleine Erhöhung
der Spulenspannung kann nun das Relais in den geschlossenen
Zustand geschaltet werden, wodurch sich die vom Relais benö
tigte Umschaltzeit ganz erheblich verkürzt. Außerdem ist sichergestellt,
daß ein versehentliches Abheben des Ankers und
eine damit verbundene Unterbrechung des elektrischen Kontak
tes nicht möglich ist, da entweder die Spule so ausgelegt
werden kann, oder die Spulenspannung im geschlossenen Zu
stand des Relais so ausgesteuert werden kann, daß die Spu
lenspannung immer über dem gemessenen Wert für die Anker-
Anzugsspannung liegt.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen
darin, daß mit dem Hallsensorelement ein berührungsloses
Messen der charakteristischen Kenngrößen des Relais möglich
ist. Die Messung kann daher unabhängig vom Relaistyp mit der
gleichen Meßvorrichtung nach demselben Verfahren durchge
führt werden. Entscheidend dabei ist nur, daß der Hallsensor
das magnetische Streufeld des Relais erfaßt. Eine verfäl
schende Beeinflussung des Meßergebnisses durch fertigungs
technische Größen ist daher ausgeschlossen. Vorteilhaft ist
außerdem, daß das Meßverfahren eine große Reproduzierbarkeit
aufweist, temperaturunabhängig ist und darüber hinaus si
cher, schnell und einfach durchgeführt werden kann.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Hallsensorelement 2, wie
in den Unteransprüchen 3 und 4 dargestellt, über dem Anker
in direkter Nähe zu dem Luftspalt, durch welchen im unbetä
tigten Zustand des Relais 1 der Anker 3 vom Magneten 6 beab
standet wird, und in Verlängerung der Achse des Magnetkerns
positioniert wird, da hierdurch das Streufeld durch das
Hallsensorelement besonders gut erfaßt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Relais mit dem Hallsensor
element,
Fig. 2 ein Meßdiagramm, in welchem die Spulenspannung und
die davon abhängige Hallspannung in Abhängigkeit von der
Zeit aufgetragen sind.
In Fig. 1 ist ein elektromagnetisches Relais 1 in an sich
bekannter Bauweise dargestellt. Das Relais 1 umfaßt einen
mit einem im Durchmesser reduzierten Ansatz 13 versehenen
Magnetkern 6, welcher von einer aus Spulendraht gewickelten
Spule 7 umhüllt wird. Der Magnetkern 6 durchdringt die Spule
7 und ragt mit seinem dem Ansatz 13 gegenüberliegenden Ende
16 etwas über die Spule 7 hinaus. Der Magnetkern 6 ist mit
einem L-förmigen Joch 4 verbunden, welches einen Schenkel 18
und einen von diesem rechtwinklig abgebogenen Schenkel 17
aufweist. Der Magnetkern 6 durchdringt mit dem Ansatz 13 ei
ne in dem Schenkel 17 vorgesehene Öffnung und ist mit dem
Schenkel 17 fest verbunden. Der andere Schenkel 18 weist an
seinem dem Winkelbereich des Jochs 4 abgewandten Ende ein
Widerlager 9 auf, an welchem ein Anker 3 schwenkbar gelagert
ist. Der Anker 3 ist als Klappanker so konstruiert, daß er
in Richtung des Magnetkerns 6 geschwenkt werden kann, bis er
diesen mit seiner Unterseite 15 an dem dafür vorgesehenen
Ende 16 des Magnetkerns 6 berührt. Um den Anker 3 im unbetä
tigten Zustand des Relais vom Magnetkern 3 zu lösen, ist der
Anker mit einer Feder 8 verbunden. Die Feder 8 ist mit ihrem
einen Ende an einem Steg 27 des Ankers 3 und mit ihrem ande
ren Ende an einem vom Joch 4 abstehenden Zapfen 28 befe
stigt. An dem Ende des Ankers 4, welches dem Steg 27 gegen
überliegt, ist ein dünnes Kontaktfederblech 5 aus einem ela
stischen Material mit seinem einen Ende auf der Oberseite
des Ankers 3 so angebracht, daß es den Anker 3 über dessen
Ende hinaus in Richtung einer aus zwei Festkontakten 11 und
12 bestehenden Kontakteinrichtung verlängert. Am anderen En
de des Kontaktfederblechs 5 ist ein Schaltkontakt 10 ange
bracht, welcher mit dem Festkontakt 11 im unbetätigten Zustand
des Relais und mit dem weiteren Festkontakt 12 im be
tätigten Zustand des Relais in elektrischen Kontakt gebracht
wird. Die Festkonkakte 11 und 12 sind an einer aus einem
Isolierstoff bestehenden Wand 19 befestigt, welche wiederum
an dem Schenkel 17 des Jochs 4 befestigt ist. Die Isolier
wand 19 weist mit den Festkontakten 11 und 12 verbundene An
schlüsse 21 und 22, einen mit dem Schaltkontakt 10 elek
trisch verbundenen Anschluß 20 sowie Anschlüsse 23 für die
Erregerspule 7 auf.
Im unbetätigten Zustand löst die Feder 8 den Anker 3 vom En
de 16 des Magnetkerns 6 bis der über das Kontaktfederblech 5
mit dem Anker 3 verbundene Schaltkontakt 10 gegen den Fest
kontakt 11 gedrückt wird. In diesem Fall besteht zwischen
den Anschlüssen 21 und 20 eine geschlossenen elektrische
Verbindung. Wird nun an die Spule 7 eine Spannung angelegt,
so wird in Abhängigkeit von der Größe der Spulenspannung der
Anker 3 durch das magnetische Feld der Spule 7 in Richtung
des Magnetkerns 6 gezogen, bis der Schaltkontakt 10 den
Festkontakt 12 berührt und dadurch das Relais betätigt wird.
In diesem Fall besteht zwischen den Anschlüssen 22 und 20
eine geschlossene elektrische Verbindung. Im betätigten Zu
stand berührt der Anker 3 noch nicht den Mangnetkern 6, son
dern ist weiterhin durch einen nun kleineren Luftspalt von
diesem beabstandet. Die Spulenspannung, die notwendig ist um
den Schaltkontakt 10 mit dem Festkontakt 12 in Kontakt zu
bringen, definiert die Anzugsspannung UA des Relais. Wird
nun die Spulenspannung über den Wert der Anzugsspannung UA
hinaus erhöht, so wird der Anker 3 weiter durch das magneti
sche Feld der Spule 7 angezogen, wobei sich das Kontaktfe
derblech 5 elastisch durchbiegt. Bei einem Wert der Spulen
spannung, welcher der Durchzugsspannung UD des Relais ent
spricht, wird der Anker so weit in Richtung des Magnetkerns
6 geschwenkt, daß er diesen an dem Ende 16 berührt. Hier
durch sinkt der magnetische Widerstand in dem über den Ma
gnetkern 6, das Joch 4 und den Anker 3 geschlossenen Magnetkreis
erheblich ab. Der in diesem Ausführungsbeispiel darge
stellte Relaistyp ist nur ein spezieller von vielen bekann
ten Relaiseinrichtungen, bei denen ein mit einem Kontaktfe
derelement versehener Anker durch einen Magnetkern angezogen
wird. Das im folgenden vorgestellte Meßverfahren ist deshalb
keinesfalls auf das obige Ausführungsbeipiel beschränkt,
sondern kann bei allen Relaiseinrichtungen, bei denen ein
Anker durch das Magnetfeld einer Spule in Schließrichtung
betätigt wird, angewandt werden.
Das Meßverfahren zur Bestimmung der spezifischen Kenngrößen
der Anzugsspannung UA und der Durchzugspannung UD des Relais
wird wie folgt durchgeführt. Zunächst wird ein Hallsensor
element 2 in der Nähe des Relais so positioniert, daß das
Hallsensorelement 2 von den magnetischen Feldlinien des
durch die Magnetspule 7 erzeugten Streufeldes durchdrungen
wird. Vorteilhafter Weise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, das
Hallsensorelement 2 über dem Anker 3 in direkter Nähe zu dem
Luftspalt, durch welchen im unbetätigten Zustand des Relais
1 der Anker 3 vom Magneten 6 beabstandet wird, und in Ver
längerung der Achse des Magnetkerns 6 positioniert. Das
Hallsensorelement 2 weist Anschlüsse 24 auf, an denen die
Hallspannung abgegriffen werden kann. Die Anschlüsse 24 sind
mit einem Bandpaßfilter und einer Auswerteelektronik verbun
den, welche die genaue Messung der in dem Hallsensorelement
erzeugten Hallspannung UH ermöglichen. Die Anschlüsse 23 des
Relais 1 sind mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten
Gleichspannungsquelle verbunden, durch welche die Erreger
spule 7 mit einer Spulenspannung US beaufschlagt wird. Zur
Durchführung des Meßverfahrens wird die Spulenspannung US
kontinuierlich ausgehend von 0 V erhöht. Im unbetätigten Zu
stand des Relais, also bei einer Spannung US von 0 V, wird
das mit dem Anker 3 verbundene Kontaktfederblatt 5 mit dem
Schaltkontakt 10 gegen den Festkontakt 11 gedrückt. Eine
kontinuierliche Erhöhung der Spulenspannung US bewirkt, daß
das in dem Magnetkern 6 geführte Magnetfeld der Spule 7 und
das durch den Hallsensor erfaßte Streufeld kontinuierlich
ansteigen. Mit steigender Spulenspannung US steigt deshalb
auch die zum Magnetfeld proportionale Hallspannung UH an.
Dieser Zusammenhang ist in dem Meßdiagramm 30, welches qua
litativ in Fig. 2 dargestellt ist, erkennbar. In dem in Fig.
2 gezeigten Meßdiagramm 30 sind die Spulenspannung US und
die Hallspannung UH in Abhängigkeit von der Zeit aufgetra
gen. Alternativ ist es auch möglich die Hallspannung direkt
über der Spulenspannung in einem Meßdiagramm aufzutragen
oder eine andere geeignete Auftragungsart zu wählen. In dem
in Fig. 2 gezeigten Diagramm sind auf der Ordinate die Span
nungswerte U von Spulenspannung US und Hallspannung UH auf
getragen und auf der Abszisse die Zeit t. Die ordinatenwerte
der Hallspannung sind dabei anders als die Werte für die
Spulenspannung skaliert. In dem hiergezeigten Diagramm ist
zum Beispiel die Steigerung der Hallspannung mit einem nega
tiven Vorzeichen versehen. Es sind aber auch andere Auftra
gungsarten möglich. Entscheidend ist, daß die sprunghafte
Änderung der Hallspannung UH möglichst gut in dem Diagramm
erkennbar ist. Bei einem bestimmten Wert der Spulenspannung
ist die durch das Magnetfeld auf den Anker 3 einwirkende
Kraft nun größer als die Spannkraft der Feder 8. In diesem
Moment wird der Anker 3 in Richtung des Magnetkerns 6 be
wegt, bis der Schaltkontakt 10 den Festkontakt 12 berührt.
Die sprunghafte Bewegung des Ankers 3 bewirkt eine plötzli
che Verkleinerung des Luftspalts zwischen Anker 3 und Ma
gnetkern 6 und damit eine plötzliche Veränderung des magne
tischen Widerstandes und des magnetischen Flusses durch die
Spule. Dies wiederum bedingt eine sprunghafte Änderung des
Streufeldes und der Hallspannung UH. Aus der sprunghaften
Änderung der Hallspannung UH kann im Meßdiagramm 30 die Spu
lenspannung genau ermittelt werden, welche zur Bewegung des
Ankers 3 führt. Zu diesem Zweck wird aus dem Meßdiagramm 30
der Meßpunkt M1 abgelesen, bei welchem die spunghafte Ände
rung der Hallspannung auftritt. Aus der auf der Ordina
tenachse abgetragenen Spannungskoordianate des Meßpunktes M1
ergibt sich dann der Wert der Spulenspannung, welcher der
Anker-Anzugsspannung UA entspricht. Bei einer weiteren Erhö
hung der Spulenspannung über den Wert für die Anker-Anzugs
spannung UA hinaus, wird nun durch die magnetische Anzie
hungskraft das Kontaktfederblech 5 elastisch durchgebogen,
bis schließlich bei einem Wert der Spulensgannung, welcher
der Anker-Durchzugsspannung UD entspricht, der Anker 3 mit sei
ner Unterseite 15 das Ende 16 des Magnetkerns 6 berührt. In
diesem Augenblick wird der Magnetkreis durch den Kern 6, das
Joch 4 und den Anker 3 geschlossen, was ebenfalls einen
zweiten sprunghaften Anstieg des Magnetfeldes bewirkt. Die
ser zweite sprunghafte Anstieg führt wiederum zu einer wei
teren sprunghaften Änderung der Hallspannung UH im Meßdia
gramm 30. Aus dem Ordiantenwert des zugehörigen Meßpunktes
M2 kann die Anker-Durchzugsspannung UD genau abgelesen werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur Messung der Anker-Anzugsspannung und der
Anker-Durchzugsspannung eines Schaltrelais (1), das einen
von einer Erregerspule (7) umhüllten Magnetkern (6) und ei
nen mit dem Magnetkern (6) in Kontakt bringbaren Anker (3)
umfaßt, der mit einem elastisch biegsamen Kontaktfederele
ment (5) verbunden ist, welches einen zwischen zwei Festkon
takten (11, 12) angeordneten und mit den Festkontakten
(11, 12) in elektrischen Kontakt bringbaren Schaltkontakt
(10) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- - Positionieren eines das magnetische Streufeld erfassenden Hallsensorelementes (2) in der Nähe des Schaltrelais (1),
- - Erhöhen der Spulenspannung (US) von einem Ausgangswert bis zu einem maximalen Spannungswert und
- - gleichzeitiges Messen und Aufzeichnen der durch den magne tischen Fluß in dem Schaltrelais (1) in dem Hallsensorele ment (2) erzeugten Hallspannung,
- - wobei der Wert der Spulenspannung bei einer aus einer die Magnetfeldstruktur verändernden ersten Bewegung des Ankers (3) resultierenden ersten sprunghaften Änderung der Hall spannung (UH) als Anker-Anzugsspannung (UA) definiert wird und
- - wobei der Wert der Spulenspannung bei einer aus einer die Magnetfeldstruktur verändernden zweiten Bewegung des Ankers (3) resultierenden zweiten sprunghaften Änderung der Hall spannung (UH) als Anker-Durchzugsspannung (UD) definiert wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltrelais (1) einen
von einer Erregerspule (7) umhüllten Magnetkern (6) und ei
nen mit einem elastisch biegsamen Kontaktfederelement (5),
welches einen zwischen zwei Festkontakten (11, 12) angeordne
ten und mit den Festkontakten (11, 12) in elektrischen Kon
takt bringbaren Schaltkontakt (10) aufweist, verbundenen An
ker (3) umfaßt, der nach einem ersten Ankerstellwert, bei
welchem der Schaltkontakt (10) das Schaltrelais (1) betä
tigt, bei einem zweiten Ankerstellwert mit dem Magnetkern
(6) in Kontakt bringbar ist, und daß ein das magnetische
Streufeld des Schaltrelais (1) erfassendes Hallsensorelement
(2) vorgesehen ist, welches in direkter Nähe zum Luftspalt
positioniert wird, durch welchen Luftspalt im unbetätigten
Zustand des Relais (1) der Anker (3) vom Magnetkern (6) be
abstandet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Hallsensorelement (2) in Achsrichtung des Magnetkerns
(6) dem Relais (1) und dem Anker (3) gegenüberliegend ange
ordnet ist.
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