DE60037017T2

DE60037017T2 - Tristabiles Relais

Info

Publication number: DE60037017T2
Application number: DE2000637017
Authority: DE
Inventors: Graham Bailey
Original assignee: Ranco Inc of Delaware; Ranco Inc
Current assignee: Ranco Inc of Delaware; Robertshaw US Holding Corp
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2020-08-19
Also published as: DE60037017D1; EP1180778B1; DK1180778T3; EP1180778A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein tristabiles Relais zur Steuerung z. B. von Anwendungen mit zwei Verbrauchern, die in einer gegenseitig sich ausschließenden Art und Weise geschaltet werden.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein Beispiel für eine Anwendung mit zwei Verbrauchern, die in einer gegenseitig sich ausschließenden Art und Weise geschaltet werden, ist ein Nicht-Frost-Kühlschrank oder eine Tiefkühltruhe, wo der Kompressor davon ein- und ausgeschaltet wird, um eine vorbestimmte Temperatur während des Normalbetriebs aufrechtzuerhalten. Jedoch wird zu bestimmten Zeiten während des Betriebs ein Abtaubetrieb durchgeführt, wodurch der Kompressor ausgeschaltet wird und die Verdampfungs-Heizvorrichtung eingeschaltet wird, so dass die Temperatur der Verdampfungs-Heizvorrichtung über 0°C steigt und damit angesammeltes Eis beseitigt wird. Es wird hier nicht beabsichtigt, sowohl den Kompressor als auch die Verdampfungs-Heizvorrichtung gleichzeitig einzuschalten.
Die gegenseitig sich ausschließende Umschaltung der Verdampfungs-Heizvorrichtung und des Kompressors kann durch die Benutzung von zwei unabhängigen Betreiber-Schaltanordnungen 100, 102 erreicht werden, wie in 1 gezeigt. Hier schaltet die Schaltanordnung 100 den Kompressor ein und aus, während die Schaltanordnung 102 die Verdampfungs-Heizvorrichtung ein- und ausschaltet.
Wie in 1 gezeigt, wird der Kompressor typischerweise während eines Normalbetriebs durch die Schaltanordnung 100 in einer zyklischen Art und Weise ein- und ausgeschaltet, bis es bei einer spezifischen Zeit t_d es notwendig ist, angesammeltes Eis im Verdampfer zu beseitigen. Hierfür wird die Heiz-Verdampfungsvorrichtung durch die Schaltanordnung 102 eingeschalten, um einen Abtaubetrieb zu erreichen. Danach folgt eine Tropf-Zeitspanne in einer optionalen Art und Weise zur weiteren Beseitigung von angesammeltem Eis und Schmelzwasser. Dann wird die Schaltanordnung 100, welche den Kompressor aktiviert und deaktiviert, für den weiteren Frostbetrieb wieder betrieben.
Eine Option, die Schaltanordnungen zu realisieren, ist die Benutzung eines energiesparenden, bistabilen Relais, das keinen Strom bezieht, außer während der Übergangsphase zum Ändern des Zustandes der Schaltanordnungen 100, 102. Jedoch ist ein bistabiles Relais normalerweise teuerer als ein monostabiles Relais, so dass dieses Sparen von Energie nur zu Lasten von höheren Systemkosten erreicht wird.
Um diesen Mangel zu beseitigen, veranschaulicht 2 die Benutzung von Mehrfach-Positions-Relais für den Betrieb der Schaltanordnungen, z. B. auf der Grundlage des Sperr-Mechanismus. Diese Mehrfach-Positions-Relais sind bekannt und können mit irgendeiner Anzahl von stabilen Positionen und Kontaktanordnungen konfiguriert werden. Um die nächste stabile Position zu erreichen, wird ein Einschaltimpuls auf eine einzige Relais-Spule der Mehrfach-Positions-Relais angewendet, und damit wird der Sperr-Mechanismus stets entlang derselben Richtung gedreht.
Wie in 2 gezeigt, hat die Benutzung von solchen Mehrfach-Positions-Relais wieder für die Nicht-Frost-Kühlschrank-/Tiefkühltruhen-Anwendung den Nachteil, dass diese Mehrfach-Positions-Relais nur in einer zyklischen Art und Weise betrieben werden können. Für einen Zwei-Positions-Relais gibt es vier Zustände 1 bis 4, mit der ersten Schaltanordnung 100 geschlossen, der zweiten Schaltanordnung 102 geöffnet (Zustand 1), beiden Schaltanordnungen geöffnet (Zustand 2), der ersten Schaltanordnung 100 geöffnet, der zweiten Schaltanordnung 102 geschlossen (Zustand 3), und wieder beiden Schaltanordnungen 100, 102 geöffnet (Zustand 4, optional).
Wie in 2 gezeigt, wird es in dem Fall, bei dem der Kompressor in einer periodischen Art und Weise während des Frostbetriebs ein- bzw. auszuschalten ist, notwendig sein, alle Zustände der Mehrfach-Positions-Relais durchzulaufen. Deshalb ist es notwendig, den Zustand 3 zur Zeit t_n durchzulaufen, um den Zustand 1 wieder zu erreichen, nachdem der Kompressor ausgeschaltet wurde, damit werden die Heiz-Verdampfungsvorrichtungen aktiviert, während gleichzeitig der Abtaubetrieb notwendig ist.
Dies hat den Nachteil, dass unnötige gegenwärtige Übergänge im Netz vorliegen und die Lebenserwartung der Verdampfungs-Heizvorrichtungs-Schaltkontakte vermindert wird.
Darüber hinaus sind die Mehrfach-Positions-Relais schon an sich geräuschvoll, wenn sie über Übergangszustände von einer Position zu einer anderen bewegt werden, was einen Nachteil in Haushaltsgeräten darstellt, bei denen hörbares Geräusch als Störung bewertet wird.
Das Dokument EP 172 080 zeigt ein tristabiles Relais und ein Verfahren für den Betrieb eines tristabilen Relais gemäß der Präambeln von Ansprüchen 1 und 16.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht des oben Erwähnten, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein energieeffizientes Schalten zwischen unterschiedlichen Anwendungen/Verbrauchern bei geringen Kosten und geringem Geräusch zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein tristabiles Relais mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht.
Deshalb wird ein tristabiles Relais gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Benutzung eines Kernelements mit einer Spule zum Magnetisieren des Kernelements implementiert. Darüber hinaus ist ein Bauteil mit zumindest einem Dauermagneten mit Bezug auf das Kernelement angeordnet, wobei der Dauermagnet einen ersten und einen zweiten Magnetpolbereich bestimmt, so dass eine Relativbewegung zwischen einem Bauteil mit dem Dauermagneten und dem Kernelement möglich ist.
Außerdem umfasst das tristabile Relais Stoppmittel zum Begrenzen der Relativbewegung des Kernelements und des Bauteils mit zumindest einem Dauermagneten zwischen einer ersten und einer zweiten Begrenzungsstoppposition. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden unterschiedliche Arbeitspositionen im tristabilen Relais stabil gehalten, ohne eine weitere Energiezufuhr zur Spule im Kernelement, welches – mit anderen Worten – nur eingeschaltet wird, um das Element mit zumindest dem Dauermagneten zu bewegen.
Es ist keine Energiezufuhr notwendig, um dieses Bauteil in einer Arbeitsposition aus einer Vielzahl von Arbeitspositionen zu halten. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies erreicht, da in jede der unterschiedlichen Arbeitspositionen der magnetische Feldfluss des Dauermagneten über das Kernelement schließt, welches deshalb in einem stabilen Zustand gehalten wird.
Darüber hinaus begrenzt das Stoppmittel die Relativbewegung des Kernelements und des Bauteils zwischen einer ersten und zweiten Begrenzungsstoppposition. In jeder Stoppposition wird das Bauteil mit zumindest einem Dauermagneten leicht aus der bezogenen Gleichgewichtsposition bewegt, wo dessen magnetischer Feldfluss vollständig das Kernelement schließt.
Deshalb tendiert das Bauteil mit zumindest einem Dauermagneten dazu, sich in diese Gleichgewichtsposition zu bewegen. Jedoch wird eine Kraft oder ein Drehmoment an der ersten und/oder zweiten Begrenzungsstoppposition garantiert, da das Bauteil mit zumindest einem Dauermagneten an das Stoppmittel angrenzt.
Das Bauteil mit dem Dauermagneten wird betriebsgemäß relativ zum Kernelement in die erste Begrenzungsstoppposition durch die Zufuhr von gegenwärtigen Impulsen mit einer ersten angemessenen Polarität zur Spule des Kernelements bewegt. Darüber hinaus wird das Bauteil mit dem Dauermagneten wirksam in die zweite Begrenzungsstoppposition durch die Zufuhr eines gegenwärtigen Impulses mit einer Polarität, die zu der, der ersten Begrenzungsstoppposition zugewiesenen Polarität entgegengesetzt ist. Im Falle, dass das Bauteil mit dem Dauermagneten in eine zwischen der ersten und der zweiten Begrenzungsstoppposition liegende Position zu bewegen ist, wird dies durch die Zufuhr einer Impulssequenz mit abwechselnden Polaritäten zur Spule erreicht.
Mit anderen Worten, die unterschiedlichen Arbeitspositionen werden im Allgemeinen durch das Einschalten der Spule mit kurzen positiven oder negativen Impulsen, die in einer Steuerungseinheit erzeugt werden, ausgewählt, um das tristabile Relais in die erste bis dritte Arbeitsposition zu bringen. Insbesondere wird die dritte Arbeitsposition durch die Zufuhr einer kurzen Sequenz von abwechselnden Impulsen von abgeglichener Energie zur Spule erreicht. Hier wird die Energiemenge als eine Funktion der Trägheits- und Selbstresonanz-Merkmale des tristabilen Relais bestimmt, um die dritte Arbeitsposition zu erreichen.
Darüber hinaus wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die damit erreichten stabilen Arbeitspositionen zu benutzen, die ohne die Energiezufuhr aufrechterhalten werden, um die Schaltelemente des tristabilen Relais durch die Relativbewegung des Kernelements und des Bauteils ein- bzw. auszuschalten. Mit anderen Worten, es wird im Gegensatz zum Stand der Technik nur eine einzige Spule benutzt, um die Aktivierung und/oder Deaktivierung von einer der beiden Schaltanordnungen zu erreichen.
Da es möglich ist, eine Relativbewegung zwischen dem Kernelement und dem Bauteil zu erreichen, so dass sich ein Bauteil mit zumindest einem Dauermagneten zwischen der ersten Begrenzungsstoppposition und der dritten Relativposition des Kernelements bewegt, und darüber hinaus zwischen der dritten Relativposition und der zweiten Begrenzungsstoppposition, ist es möglich, dass das erste Schaltelement mehrere Male ein- bzw. ausgeschaltet wird, bevor das zweite Schaltelement ein-/ausgeschaltet wird, und dann wird das erste Schaltelement wieder mehrere Male ein-/bzw. ausgeschaltet, so dass unnötige Übergangszustände im tristabilen Relais vermieden werden.
Deshalb kann das tristabile Relais z. B. in idealer Weise den Anforderungen eines Relais für die oben beschriebene Nicht-Frost-Kühlschrank-/Tiefkühltruhen-Anwendung genügen. Jedoch sollte erwähnt werden, dass gemäß der vorliegenden Erfindung irgend eine Anwendung, welche ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Verbrauchersituationen ohne kontinuierliche Energiezufuhr erfordert, auf einfache Art und Weise durch das tristabile Relais gemäß der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Bauteil mit dem Dauermagneten mit Polerweiterungen vorgesehen, die mit den Polen des Dauermagneten in Kontakt sind, um eine optimierte Wechselwirkung zwischen dem Dauermagneten und dem Kernelement zu erreichen.
Gemäß einer weiteren, anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt das tristabile Relais einen Rotor als Bauteil mit einem Dauermagneten und Kernelemente mit zwei getrennten Polteilen, die sich gegenüberstehen, um einen Rotorraum zum Unterbringen des Rotor zu bilden. In bevorzugter Weise gehen die Polerweiterungen, die in Kontakt mit den Polen des Dauermagneten sind, über den Dauermagneten in einer radialen Richtung des Rotors hinaus.
Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erlaubt, dass oben umrissene Grundprinzip einer drehbaren Anordnung eines tristabilen Relais anzuwenden. Insbesondere ist die Geometrie der Polteile und der Polerweiterungen wichtig, um die Richtung und den Grad des Drehmomentes zu bestimmen, die auf dem Rotor durch die Polteile unter stationären Bedingungen und im Falle der eingeschalteten Spule erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren, anderen Ausführungsform werden die Schaltelemente durch einen ersten festen Kontakt, einen zweiten festen Kontakt und einem, einen dritten Kontakt tragenden Hebel gebildet. Der Hebel kann zwischen dem ersten festen Kontakt und dem zweiten festen Kontakt bewegt werden. Genauso kann der Hebel durch die Kopplung des Rotors des tristabilen Relais zwischen dem ersten festen Kontakt und dem zweiten festen Kontakt oder in Angrenzung an jeden festen Kontakt gemäß der Relativbewegung des Kernelements und des Bauteils platziert werden. Diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erlaubt eine Implementierung der zwei Schaltelemente mit einer minimierten Anzahl von bewegbaren Teilen, und damit wird die von Natur aus vorliegende Trägheit des tristabilen Relais und die notwendige Energiezufuhr vermindert. Außerdem kann, je geringer die Anzahl von beweglichen Teilen innerhalb des tristabilen Relais ist, die Schaltfrequenz davon umso größer sein.
Gemäß einer weiteren, anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Bauteil als Gleitelement implementiert, welches ausgelegt ist, eine umgekehrte Linearbewegung relativ zum Kernelement durchzuführen. Hier umfassen Polerweiterungen des Gleitelements z. B. ein erstes U-förmiges Teil und ein zweites U-förmiges Teil, die im ersten U-förmigen Teil und den U-förmigen Teilen enthalten ist, wobei die U-förmigen Teile in Kontakt mit zugehörigen Polflächen des Dauermagneten angeordnet sind.
Deshalb erlaubt diese weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine lineare statt einer drehenden Bewegung innerhalb des tristabilen Relais.
Gemäß einer weiteren, anderen bevorzugten Ausführungsform ist dieses Dauermagnetelement ein gesintertes Teil, das aus Ne-Fe-B (Neodimium-Eisen-Boron) besteht, unabhängig von der Drehung oder linearen Bewegung des Elements mit dem Dauermagneten. In bevorzugter Weise könnte man in nur einem einzigen Teil die Funktion des Dauermagneten, der Polerweiterung, des die Verminderung der Anzahl von Teilen ermöglichenden Rotors von z. B. drei zu eins vereinigen. Dies kann durch die Benutzung von Kunststoffmaterial erreicht werden, das mit nacheinander magnetisiertem Ferrit gefüllt wird.
Gemäß einer weiteren, anderen bevorzugten Ausführungsform sind geeignete Materialien für das einzige Teil mit einer Vielzahl von Funktionen, wie z. B. Kunststoffe von Poly-Oxy-Methylen (POM) – oder Poly-Aryl-Etherketon-Materialfamilien vorhanden.
Gemäß einer weiteren, anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die unterschiedlichen Teile des tristabilen Relais auf einer Druckerschaltplatte anzubringen, die z. B. mit einem ausgeformten Kunststoffgehäuse in Verbindung gebracht werden kann. Deshalb ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine sehr kompakte Realisierung des tristabilen Relais zu erreichen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
1 zeigt eine Anwendung von zwei getrennten Relais zu einer Anwendung mit zwei Verbrauchern, d. h. ein Nicht-Frost-Kühlschrank/eine Tiefkühltruhe, der/die einen Kompressor und eine Heiz-Verdampfungsvorrichtung benutzt;
2 zeigt die Anwendung eines Mehrfach-Positions-Relais zu dem Betrieb eines Nicht-Frost-Kühlschranks/einer Tiefkühltruhe, wobei die Heiz-Verdampfungsvorrichtung mit jedem Kompressorzyklus eingeschaltet wird;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines idealen Relais mit zwei Umschaltungskontakten;
4 zeigt die Anwendung des schematisch in 3 gezeigten Relais zu einem Nicht-Frost-Kühlschrank-/Tiefkühltruhen-Betrieb;
5 zeigt das Grundprinzip, welches unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt;
6 zeigt ein tristabiles Relais des drehbaren Typs gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten stabilen Arbeitsposition;
7 zeigt ein tristabiles Relais des drehbaren Typs in einer zweiten stabilen Arbeitsposition;
8 zeigt das tristabile Relais des drehbaren Typs in einer dritten stabilen Arbeitsposition;
9 zeigt die Benutzung des tristabilen Relais des drehbaren Typs für die Betätigung für Schaltanordnungen;
10 zeigt ein tristabiles Relais des Linearbewegungstyps gemäß der vorliegenden Erfindung in einer ersten stabilen Arbeitsposition;
11 zeigt das tristabile Relais des Linearbewegungstyps in einer zweiten stabilen Arbeitsposition;
12 zeigt das tristabile Relais des Linearbewegungstyps in einer dritten stabilen Arbeitsposition;
13 zeigt die Anbringung eines tristabilen Relais auf eine Druckerschaltplatte PCB, wie mit Bezug auf 5 bis 11 erklärt;
14 zeigt eine erste Schaltung zum Vorsehen des abwechselnden Impulses von abgeglichener Energie zur Aktivierung des tristabilen Relais gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt eine zweite Steuerungseinheit zur Zufuhr von Wechselströmen für die Aktivierung des tristabilen Relais gemäß der vorliegenden Erfindung; und
16 zeigt eine dritte Steuerungseinheit zur Zufuhr von abwechselnden Impulsen für die Aktivierung des tristabilen Relais gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Idealrelais mit zwei Umschaltkontakten. Wie in 3 gezeigt, weist dieses Relais eine linke Arbeitsposition, eine zentrale Arbeitsposition und eine rechte Arbeitsposition auf. In der linken Arbeitsposition wird ein erster Kontakt zur Zufuhr von z. B. Energie zu einem Verbraucher erreicht. Im Gegensatz dazu wird in der rechten Arbeitsposition ein zweiter Kontakt zur Zufuhr von z. B. Energie zu einem weiteren Verbraucher erreicht. In der mittleren, zentralen Position ist kein Kontakt zwischen einer Energiequelle und einem der beiden Verbraucher festgelegt. Ein Vorteil des mit Bezug auf 3 veranschaulichtem und vorher behandeltem Relais besteht darin, dass keine Zwischenzustände notwendig sind, wenn zu gewünschten Arbeitspositionen umgeschaltet wird.
Nachfolgend wird die Benutzung des idealen, in 3 gezeigten Relais wieder mit Bezug auf einen Nicht-Frost-Kühlschrank-/Tiefkühltruhen-Betrieb veranschaulicht. Trotzdem sollte erwähnt werden, dass für den Fachmann irgendeine andere Anwendung für ein gegenseitig ausschließendes Umschalten zwischen z. B. zumindest zwei Verbrauchern und einer gemeinsamen Leitung notwendig ist und genauso durch die unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung abgedeckt wird, wie nachfolgend umrissen.
Wie in 4 gezeigt, wird der Kompressor durch ein Umschalten zwischen der linken Arbeitsposition und der zentralen Arbeitsposition im Relais während des Betriebs des Nicht-Frost-Kühlschranks-/Tiefkühltruhe ein- bzw. ausgeschaltet, unter Benutzung des idealen Relais, das für ein gegenseitig sich ausschließendes Umschalten zwischen den Verbrauchern ausgelegt ist. Nach einer bestimmten Betriebszeit t_d wird es notwendig sein, angesammeltes Eis durch die Aktivierung der Heiz-Verdampfungsvorrichtung durch die Änderung zur rechten Arbeitsposition zu beseitigen. Sobald der gewünschte Abtaubetrieb beendet ist, tritt wieder eine Rück-Umschaltung zur zentralen Position auf, die erlaubt, eine bestimmte, optionale Tropf-Zeitspanne vorzusehen. Danach findet wieder die Umschaltung zwischen der linken Arbeitsposition und der zentralen Arbeitsposition für den Betrieb des Kompressors statt.
Mit anderen Worten, der Kompressor kann zwischen der linken Arbeitsposition und der zentralen Arbeitsposition, der linken Arbeitsposition, der zentralen Arbeitsposition, ... geschaltet werden, um die gewünschte Kühlungsleistung zu erreichen. Während der Abtau-Phase bewegt sich das Relais zur rechten Arbeitsposition, um die Heiz-Verdampfungsvorrichtung einzuschalten und den Abtau-Betrieb durchzuführen. In dieser Arbeitsposition bleibt das Kompressor-Kontaktpaar offen, so dass keine Kühlung stattfindet.
5 zeigt das Grundprinzip, welches das tristabile Relais gemäß der unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt; es sollte erwähnt werden, dass, während 5 ein tristabiles Relais eines drehbaren Typs betrifft, das mit Bezug darauf beschriebene Grundprinzip auch auf ein tristabiles Relais des Linearbewegungstyps ausgelegt werden kann, wobei dies hierin weiter unten umrissen wird.
Wie in 5 gezeigt, beruht die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Annäherung auf drei stabilen Positionen oder Gleichgewichtszuständen einer Anordnung, die zumindest ein Kernelement 10 mit einer Spule 12 und ein Bauteil 14 mit einem Dauermagneten 16 umfasst. Der Dauermagnet bestimmt einen ersten und zweiten Magnetpolbereich N bzw. S des Bauteils 14. Außerdem sind das Bauteil 14 und das Kernelement 10 so angeordnet, dass eine Relativbewegung zwischen dem Bauteil 14 und dem Kernelement 10 möglich ist.
Wie in 5 gezeigt, erlaubt diese Anordnung drei stabile Arbeitspositionen. In der auf der linken Seite gezeigten Position wird der magnetische Feldfluss des Dauermagneten 16 über das niedrigere Teil des Kernelements geschlossen, während die Polbereiche N und S des Dauermagneten symmetrisch mit Bezug auf die Mittelachse des Kernelements angeordnet sind.
Darüber hinaus wird der im mittleren Teil von 5 gezeigten, zweiten Arbeitsposition der magnetische Feldfluss des Dauermagneten 16 so geschlossen, dass es wieder über das Kernelement geschlossen wird, jedoch mit einem ersten Polbereich, z. B. dem N-Pol, der dazu tendiert, sich nach der Mittelachse des Kernelements 10 auszurichten.
Weiterhin wird noch der magnetische Feldfluss in der, im mittleren Teil von 5 gezeigten, dritten stabilen Arbeitsposition auch über das Kernelement 10 geschlossen, jedoch dieses Mal mit dem anderen magnetischen Polteil, z. B. dem S-Pol, der dazu tendiert, sich nach der Mittelachse des Kernelements auszurichten.
Es ist erwähnenswert, dass alle diese drei Arbeitspositionen ohne kontinuierliche Energiezufuhr zur Spule 12 aufrechterhalten werden. Der Grund für die Spule 12 besteht darin, einen Übergang zwischen den unterschiedlichen Arbeitspositionen zu erreichen. Vordem ist es notwendig, die Spule zeitweise anzuregen, so dass eine Magnetisierung des Kernelements 10 erreicht wird, welche nicht dauernd aufrechterhalten wird.
Eine Option würde z. B. für einen Übergang von der linken Arbeitsposition zur mittleren Arbeitsposition darin bestehen, dass das Polteil des Kernelements 10 zeitweise zum S-Pol geändert wird, so dass der magnetische N-Polbereich des Dauermagneten 16 angezogen wird.
Um entsprechend einen in 5 gezeigten Übergang zwischen der linken und der rechten Arbeitsposition zu erreichen, würde das niedrigere Teil des Kernelements 10 zeitweise in ein magnetisches N-Pol magnetisiert werden, um den Magnetpolbereich S des Dauermagneten 16 anzuziehen.
Es sollte noch weiterhin erwähnt werden, dass die drei in 5 gezeigten, unterschiedlichen Arbeitspositionen eine natürliche Tendenz aufweisen, eine stabile Position zu erreichen, in der keine weiteren Kräfte oder Drehmomente auf das Bauteil mit dem Dauermagneten ausgeübt werden.
Trotzdem kann es für einige Anwendungen notwendig sein, dass insbesondere die linke und rechte Arbeitsposition des Bauteils mit dem Dauermagneten nicht nur in einem stabilen Zustand gehalten wird, sondern auch eine bestimmte Kraft oder ein Drehmoment auf andere Konstruktionselemente des tristabilen Relais ausübt.
Aus diesem Grund kann ein linker oder erster Stopper 18 und ein rechter oder zweiter Stopper 20 vorgesehen werden. Diese Stopper 18, 20 erlauben, die Bewegung des Bauteils mit dem Dauermagneten so zu beschränken, dass in der linken und rechten Arbeitsposition das Bauteil 14 nicht in den gegenwärtigen Gleichgewichtszustand bewegt wird, sondern kurz vor Erreichen dieses Zustandes gestoppt wird. Damit wird eine Tendenz des Bauteils 14 bleiben, um sich weiterhin in den Gleichgewichtszustand zu bewegen, der als linke und rechte Position in 5 gezeigt ist. Diese Tendenz, sich weiterhin zu bewegen, wird zu einem Drehmoment führen, das durch das Bauteil 14 auf jene, damit verbundene Konstruktionselemente durchgeführt wird.
Wie auch in 5 gezeigt, kann der Übergang des tristabilen Relais zwischen der ersten, zweiten und dritten Arbeitsposition benutzt werden, um das ideale, in 3 gezeigte Relais zu implementieren. Vordem zeigt 5 schematisch im linken Teil Kontaktelemente 22, 24 des Dauermagneten 16, die auf der linken bzw. rechten Seite vorgesehen sind. Der linke Stopper 18 wird auch als ein erster, linker Kontaktbereich gemäß der linken Arbeitsposition benutzt, und der rechte Stopper wird als ein zweiter, rechter Kontaktbereich 28 gemäß der rechten Arbeitsposition benutzt. Alternativ können der zugehörige Stopper und Kontaktbereich auf der linken Seite und der rechten Seite getrennt vorgesehen sein.
Wie in 5 gezeigt, hat das Bauteil 14 mit dem Dauermagneten 16 in Abhängigkeit von der Arbeitsposition entweder keinen Kontakt mit den Kontaktelementen 22, 24 in der mittleren Position, oder es erreicht einen Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 22 und dem ersten Kontaktbereich 18 in der linken Arbeitsposition oder einen Kontakt zwischen dem zweiten Kontaktelement 24 und dem zweiten Kontaktbereich 20 in der rechten Arbeitsposition.
Es sollte erwähnt werden, dass die Kontaktelemente 22, 24 und die in 5 gezeigten Kontaktbereiche nur veranschaulichend sind und dass selbstverständlich die Platzierung davon genauso wie die spezifische Realisierung in vielen unterschiedlichen Arten gemäß der Anforderungen der spezifischen Anwendung erreicht werden können. Es ist die Relativbewegung zwischen dem Bauteil 14 und dem Kernelement 10, die erlaubt, die Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
Nachfolgend wird das mit Bezug auf 5 umrissene Grundprinzip für ein tristabiles Relais des Rotortyps und des Linearbewegungstyps detaillierter beschrieben. Zur Vereinfachung der Erklärung werden in der folgenden Beschreibung durchgehend jene Elemente, die sich auf die mit Bezug auf 5 beschriebenen Elemente beziehen, mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wie in 6 gezeigt, umfasst das tristabile Relais des Rotortyps ein Kernelement 10 und die Spule 12 zur Anregung des Kernelements 10. Darüber hinaus ist das Bauteil 14 mit dem Dauermagneten 16 vorgesehen. Um die unterschiedlichen Arbeitspositionen zu ändern, wird das Kernelement durch die Spule 12 durch die Zufuhr von Strom dazu über zugehörige Anschlüsse 26, 28 angeregt.
Wie in 6 gezeigt, weist das Kernelement 10 für das tristabile Relais des Rotortyps eine spezifische Struktur mit zwei getrennten Polteilen 10-1, 10-2 auf, die sich gegenüberstehen, um einen Rotorraum dazwischen zu bilden, zum Unterbringen des Bauteils 14 mit dem Dauermagneten.
Hier ist das Bauteil 14 ein Rotor, der den Dauermagneten 16 umfasst. Weiterhin umfasst der Rotor 14 Polerweiterungen 30, 32, die mit den Polen des Dauermagneten 16 in Kontakt sind, um eine optimierte Wechselwirkung zwischen dem Dauermagneten 16 und dem Kernelement 10 zu erreichen. Die Polerweiterungen 30, 32 gehen über den Dauermagneten hinaus und weisen zwei gewölbte Ausnehmungen auf, die sich diametrisch gegenüberstehen. Die Form der Ausnehmungen und der Polerweiterungen wird so gewählt, dass das tristabile Relais mit Bezug auf bestimmte Betriebsbedingungen, z. B. das Drehmoment, das auf die Kontaktelemente ausgeübt wird, um einen der beiden Relais-Kontakte zu schließen, optimiert wird.
Das tristabile Relais des Rotortyps mit der in 6 gezeigten Struktur weist betriebsgemäß drei stabile Arbeitspositionen auf, die in den 6 bis 8 gezeigt sind. Insbesondere entspricht jede der in 6 bis 8 gezeigten Arbeitspositionen der linken, mittleren und rechten Arbeitsposition, die in 5 gezeigt sind.
Während in 5 das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung mit dem Kernelement mit nur einem Pol gemäß dem tristabilen Relais des Rotortyps erklärt wurde, sind zwei Polteile vorgesehen, um den Grad des Drehmoments, dass durch das Bauteil 14 mit dem Dauermagneten 16 ausgeübt werden kann, zu erhöhen.
Wie oben bereits mit Bezug auf 5 umrissen, unterscheiden sich die in 6 bis 8 gezeigten, unterschiedlichen Arbeitspositionen in der Art und Weise, wie der magnetische Feldfluss mit der magnetischen Schaltung verknüpft ist. Um die unterschiedlichen Arbeitspositionen besser identifizieren zu können, wurde ein schwarzer Punkt an ein Ende des Dauermagneten 16 hinzugefügt.
Die in 6 gezeigte, erste Arbeitsposition bezieht sich auf die in 5 gezeigte mittlere Arbeitsposition, wo der magnetische Feldfluss des Dauermagneten 16 über die einzigen Pole des Kernmagneten, d. h. über 10-1 und 10-2, verbunden wird.
Darüber hinaus weist das Bauteil 14 gemäß der in 7 gezeigten, rechten Arbeitsposition dessen rechtsdrehende Rotation auf, die z. B. durch den linken Stopper oder durch gegenseitig angrenzende Kontaktflächen begrenzt wird. Wenn die Spule nicht eingeschaltet ist, fließt der Fluss des Dauermagneten 16 von der niedrigeren zur höheren Seite, wie durch die Pfeile in 7 gezeigt, d. h. in der Richtung Süden/Norden.
Weil der Rotor durch Kontaktbereiche veranlasst wird, bei einem Winkel α1 mit Bezug auf die Mittelachse zu stoppen, wird der magnetische Fluss etwas vom Gleichgewichtspunkt verzerrt, was magnetischen Feldlinien entsprechen wird, die entlang einer geraden Linie von Norden nach Süden laufen.
Dies ist ein vorsätzliches Hilfsmittel, um ein rechtsdrehendes Drehmoment zu erzeugen, um zu garantieren, dass die Kontaktelemente die betreffende geschlossene Position mit einem vorgegebenen Kraftaufwand aufrechterhalten. Darüber hinaus kann im Falle, dass die Spule eingeschaltet wird, z. B. durch einen Strom, der ein höheres Polteil mit einer Süd-Polarität und ein niedrigeres Polteil mit einer Nord-Polarität ein sogar größeres, rechtsdrehendes Drehmoment erzeugt werden, unter Beibehaltung des Bauteils 14 in der Position, wie in 7 gezeigt.
8 zeigt die in 5 gezeigte linke Arbeitsposition. Hier besteht der einzige Unterschied darin, dass das Drehmoment in einer linksdrehenden Richtung erzeugt wird, um die anderen zwei Kontakte zu schließen.
Durch ein Umkehren der gegenwärtigen Polarität in der Spule 12 werden die höheren und niedrigeren Polteile des Kernelements 10 auch ihre magnetische Polarität umkehren, die dem Element mit dem Dauermagneten zu einer rechtsdrehenden oder linksdrehenden Rotation unterliegen, aufgrund der Anziehungs-/Abstoßwirkung, so dass die Polteile 10-1, 10-2 auf die Kontaktpaare ausüben.
Folglich setzt der Rotor 14 die in einer der 7 und 8 veranschaulichte Position voraus, an deren Punkt die Einschaltung der Spule beendet werden kann. In beiden Positionen stehen sich die Kontaktelemente und die zugehörigen Kontaktbereiche gegenüber, um den Dauermagneten bei einem Winkel von entweder α1 oder α2 relativ zur Mittelachse zu stoppen. In beiden Positionen wird eine Angrenzungskraft der Kontaktelemente durch vorsätzliches Halten des Flusses der magnetischen Flusslinien in einem verzerrten Zustand erreicht, um ein rechtsdrehendes oder linksdrehendes Drehmoment auf den Kontaktelementen zu erzeugen.
9 zeigt die Benutzung des tristabilen Relais des drehbaren Typs, das zusammen mit externen Schaltanordnungen benutzt wird. Insbesondere zeigt 9 das Kernelement 10 und die Spule 12 und auch das bewegliche Bauteil 14 mit dem Dauermagneten, dieses Mal in einer schematischen Art und Weise.
Wie in 9 gezeigt, kann das bewegliche Bauteil mit Auslösepins 34, 36 vorgesehen sein, die ausgelegt sind, einen Hebel 38 zu führen, der z. B. durch ein Drehgelenkstück drehbar gestützt ist. Der Hebel trägt ein Kontaktelement 40. Zur linken Seite des Kontaktelements 40 ist eine linke Kontaktfläche 42 und zur rechten Seite des Kontaktelements ist eine rechte Kontaktfläche 44 vorgesehen.
Wie in 9 gezeigt, werden die Auslösepins 34, 36 durch den Betrieb des tristabilen Relais, wie mit Bezug auf 6 bis 8 erklärt, den Hebel 38 entweder in die linke oder die rechte Arbeitsposition bringen, und damit wird ein Kontakt zwischen dem Kontaktelement 40 und der linken Kontaktfläche 42 oder der rechten Kontaktfläche 44 erreicht. Darüber hinaus sind in der mittleren Position alle Schaltungen offen, in der linken Arbeitsposition ist ein erster Verbraucher mit der an dem Hebel 38 angebrachten Leitung verbunden, und in der rechten Arbeitsposition ist ein zweiter Verbraucher mit der am Hebel 38 angebrachten Leitungen verbunden.
Nachfolgend wird ein tristabiles Magnet-Relais gemäß des linearen Bewegungstyps der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 10 bis 12 erklärt. In diesen 10 bis 12 werden die funktionellen Einheiten mit der wie oben umrissenen, selben Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wie in 10 gezeigt, ist ein Gleitelement 14 ausgelegt, um die umgekehrte Linearbewegung relativ zum Kernelement durchzuführen. Für das tristabile Relais des Linearbewegungstyps umfasst die Polerweiterung des Gleitelements 14 ein erstes U-förmiges Teil 46 und ein zweites U-förmiges Teil 48, das außerdem aus dem ersten U-förmigen Teil 46 herausragt. Die U-förmigen Teile 46, 48 sind in Kontakt mit den Polflächen des Dauermagneten 16. Das Kernelement 10 umfasst einen U-förmigen Bügel 10, der die Spule 12 trägt.
Wie in 10 gezeigt, wird der durch den Dauermagneten 16 erzeugte magnetische Fluss in der mittleren Position des tristabilen Relais zum Polteil des Bügels 10 über die U-förmigen Teile 46 bzw. 48 geführt, und schließt ohne die Energiezufuhr zur Spule 12 über die einzigen Polteile 10-1, 10-2 des Bügels.
Wie in 11 gezeigt, wird der Bügel so magnetisiert, dass das Polteil 10-1 z. B. S-Polarität und das Polteil 10-2 N-Polarität aufweist, um das tristabile Relais in die Position mit einem geschlossenen, linken Kontaktteil zu bringen. Deshalb wird auf der linken Seite eine Anziehungskraft auf das höhere U-förmige Teil 46 und eine Abstoßungskraft auf das niedrigere U-förmige Teil 48 ausgeübt. Dementsprechend wird auf der rechten Seite eine Abstoßungskraft zwischen dem Polteil 10-1 des Bügels 10 und des zugehörigen, höheren U-förmigen Teils 46 und darüber hinaus eine Anziehungskraft zum niedrigeren U-förmigen Teil 48 ausgeübt. Sobald das linke Kontaktteil geschlossen ist, wird keine weitere Energie zur Spule 12 zugeführt, und der magnetische Fluss wird entlang der gestrichelten, in 11 gezeigten Linie schließen, so dass diese Position als stabile Arbeitsposition aufrechterhalten wird.
Dieselben mit Bezug auf 11 umrissenen Prinzipien lassen sich auf die 12 anwenden, die das geschlossene rechte Kontaktteil betrifft. Der einzige Unterschied besteht hier darin, dass die Polteile 10-1 und 10-2 umgekehrte magnetische Polaritäten zur Bewegung des Bauteils 14 zur rechten Seite aufweisen.
Es wird erneut erwähnt, dass der durch den Dauermagneten 16 erzeugte magnetische Fluss entlang der gestrichelten, in 9 gezeigten Linie schließt, sobald einmal das rechte Kontaktteil geschlossen ist, so dass die Arbeitsposition ohne eine weitere Energiezufuhr zur Spule 12 aufrechterhalten wird.
Wie in einer der 10 bis 12 veranschaulicht, wird auch mit dem tristabilen Relais des Linearbewegungstyps eine Kopplung des Gleitelements 14 mit einem Hebel 50 erreicht, wobei der Hebel 50 ein Kontaktelement 52, welches sich zwischen einer linken Kontaktfläche 54, einer rechten Kontaktfläche 56 und einer mittleren Position bewegt, trägt. Es wird erneut erwähnt, dass der Betrieb vergleichbar ist zu dem vorhin, mit Bezug auf 9 beschriebenen Betrieb, so dass eine wiederholte Erklärung weggelassen wird.
Darüber hinaus sollte erwähnt werden, dass der Anschlusswinkel α₃ und α₄ des Hebels 50, die in den 10 bis 12 aufgezeigt sind, abhängig sind von der Gleitentfernung des Gleitelements 14 und deshalb auf eine einfache Art und Weise modifiziert und angepasst werden kann.
13 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das tristabile Relais des drehbaren Typs mit einer Druckerschaltplatte versehen ist und deshalb auf eine einfache Weise in z. B. ein ausgeformtes Kunststoff-Gehäuse eingefügt werden kann.
Wie in 13 gezeigt, ist das tristabile Relais des drehbaren Typs in einer geeignet gefertigten, ausgeformten Kunststoff-Box 58 angebracht. Die ausgeformte Kunststoff-Box 58 und die Komponenten des tristabilen Relais des drehbaren Typs sind so gefertigt, dass die Komponenten nach dem Anbringen platziert und gehalten werden, ohne dass irgend ein zusätzliches Fixiermechanismus erforderlich ist. Vordem kann die Spule 12 in einen Spulehalter 60 eingefügt werden. Das Bauteil 14 mit dem Dauermagneten und optionale Polerweiterungen, die in Kontakt mit den Polen des Dauermagneten sind, werden auch durch ein tassenförmiges Lager 62 gestützt. Die Fertigung des tassenförmigen Lagers 62 ist derart, dass es eine freie Rotation des Bauteils 14 erlaubt, jedoch gleichzeitig das Bauteil 14 davor hindert, unter der magnetischen Anziehung der Polteile 10-1, 10-2 zu kippen.
Wie auch in 13 gezeigt, sind die zwei Polteile 10-1, 10-2 unter Benutzung von betreffenden Polteil-Orten, von denen nur eins 64 gezeigt ist. Die kurvigen Enden der Polteile 10-1, 10-2 werden durch die angemessene Fertigung des Spulenhalters 60 mit der Spule 12 in Kontakt gebracht, so dass die Polteile 10-1, 10-2 die Polteil-Orte 64 mit geringem Druck berühren und sie vom Bauteil 14 weg halten.
Wie auch in 13 gezeigt, sind ein erster fester Kontakt 66, der die vorher beschriebene linke Kontaktfläche 42, 54 trägt und ein zweiter fester Kontakt 68, der die vorher beschriebene rechte Kontaktfläche 44, 56 trägt, vorgesehen. Zwischen dem ersten festen Kontakt 66 und dem zweiten festen Kontakt 68 ist ein Bewegungskontakt 70 vorgesehen, der dem vorher beschriebenen Hebel 38, 50 entspricht und das vorher beschriebene Kontaktelement 40, 52 trägt. Ein fester Kontakt 66, 68 und der bewegliche Kontakt 70 bestehen aus gestempeltem Material und sind beim Anschlussende doppelt gefaltet, um ein biegsames Blatt mit einem starren Kontaktelement bzw. einer starren Kontaktfläche zu bilden. Der feste Kontakt 66, 68 und der bewegliche Kontakt 70 sind durch eine Labyrinth-Typ-Anordnung in der Box positioniert, um die festen und beweglichen Kontakte zu schützen. Darüber hinaus sind in der ausgeformten Kunststoff-Box 58 Anschluss-Zugangslöcher 74 für den externen Zugang zu den festen bzw. beweglichen Kontakten vorgesehen.
Wie in 13 gezeigt, ist eine Druckerschaltplatte PCB 76 als eine Abdeckung oder Deckel auf dem ausgeformten Kunststoffgehäuse 58 angebracht, sobald die tristabilen Relais-Komponenten im gewölbten Kunststoff-Gehäuse 58 eingesetzt sind. Hier ragen die Spulen-Pins 78 und die Anschluss-Pins 80 durch die Druckerschaltplatte 76 hervor, so dass sie an die Druckerschaltplatte 76 gelötet werden können. Hierbei können der notwendige elektrische Kontakt für die Stromzufuhr zur Spule 12 und das Erreichen der mit Bezug auf 4 beschriebenen Schaltfunktionalität erreicht werden.
Nachfolgend werden unterschiedliche Annäherungen erklärt, um die Zufuhr von Impulsen zur Spule 12 für einen Übergang des Bauteils 14 zwischen den unterschiedlichen Arbeitspositionen zu steuern, sowohl für das tristabile Relais des Rotortyps als auch des Linearbewegungstyps.
Ein abwechselnder Stromimpuls wird zur Spule 12 gesendet, um das Bauteil 14 mit dem Dauermagneten 16 in die mittlere Arbeitsposition gemäß der linken Seite von 5 zu bringen, wobei der Impuls bei eine dieser stabilen Positionen beginnt, die im mittleren Teil und dem rechten Teil von 5 gezeigt sind. Die Energie des abwechselnden Impulses wird derart abgeglichen, so dass es stark genug ist, das Bauteil 14 von einer von dessen stabilen Positionen wegzubewegen, die auf der mittleren und rechten Seite von 5 (oder entsprechend in 7, 8 bzw. 11, 12) gezeigt sind, jedoch schwach genug ist, um einen vollständigen Durchlauf von der linken zur rechten Arbeitsposition oder umgekehrt auszuschließen. Das bedeutet, die Energie wird schwach genug sein, um eine Oszillation um die mittlere Position zu erlauben, bei der die Zufuhr von abwechselnden Impulsen mit dem Bauteil 14 beendet wird, das in der, in 6 und 10 gezeigten, mittleren Position stabilisiert ist.
Darüber hinaus ist eine Dauer der Leistung und Energie der abwechselnden Impulse eine Funktion der Trägheit des Bauteils 14, d. h. des Rotors oder des Gleitelements und auch der Selbstresonanz des tristabilen Relais. Weil der Rotor und das Gleitelement die Tendenz aufweisen, in der mittleren Arbeitsposition stabilisiert zu sein, erlauben die Parameter der abwechselnden Impulse ziemlich große Toleranzen.
Beispiele von abwechselnden Impulsen mit abgeglichener Energie und einer betreffenden Steuerungsschaltung zu deren Erzeugung werden mit Bezug auf 14 bis 16 erklärt.
14 zeigt eine Steuerungsschaltung auf, die ausgelegt ist, einen herkömmlichen Auswähler vorzusehen, der erlaubt, die Spannung oder Stromimpulse in vollständiger Wellenform stufenweise zu senken. In der Position A wird ein einziger positiver Impuls über die Diode D1 geführt und geht durch die Kapazität C1, und außerdem werden weitere Stromimpulse vermieden, da die Kapazität C1 geladen ist. Außerdem kann in der Position B ein einziger negativer Impuls über die Diode D2 und dann durch die Kapazität C2 gehen. Weitere Stromimpulse werden außerdem wieder vermieden, da die Kapazität C2 geladen ist. Schließlich werden sich abwechselnde Stromimpulse in der Position C gesendet, um die Spule einzuschalten. Die Dämpfung der Amplituden der abwechselnden Stromimpulse wird durch einen PCT-Thermistor erreicht, der den Strom auf einen vernachlässigbaren Wert nach einer kurzen Zeit aufheizt und vermindert. Dies führt zu einer progressiv verminderten Tendenz, um die mittlere Position zu schwingen.
Eine andere in 15 gezeigte Option betrifft einen elektronischen Controller, wobei eine Spule L über Thyristoren T1 und T2 mittels Wechselstrom betrieben wird. Gemäß der Position A wird einen einzige positive Halbwelle durch die Steuerungseinheit angesteuert. In der Position B wird eine einzige negative Halbwelle durch eine Steuerungseinheit angesteuert. In einer weiteren Position werden abwechselnd geteilte Halbwellen durch die Ansteuerung der Thyristoren T1, T2 nacheinander gesendet, so dass die Energie durch die Auswahl der Zeit abgestimmt wird, bei der die Thyristoren T1, T2 angesteuert werden.
Eine andere Option für die elektronische Steuerung wird in 16 gezeigt und betrifft eine Spule L, die mit Direktstrom über eine Feldeffekttransistor FET-Brücke betrieben wird. In der Position A wird ein positiver Impuls durch Ansteuerung der Feldeffekttransistoren A und D erzeugt. Hier wird die Impulslänge wahlweise durch die Logik bestimmt. Ein negativer Impuls wird auch in der Position B durch die Ansteuerung der Feldeffekttransistoren B und C erzeugt. Die Pulslänge wird wieder wahlweise durch die Logik bestimmt. Schließlich werden in einer weiteren Position abwechselnde positive/negative Impulse nacheinander angesteuert. Die Pulslänge, Frequenz und Dauer werden wieder durch die Logik bestimmt, so dass eine abgestimmte Energiemenge gesendet wird.
Ohne Rücksicht auf die oben umrissenen, unterschiedlichen Ausführungsformen kann der Dauermagnet ein gesintertes Teil sein, das z. B. aus Ne-Fe-B (Neodimium-Eisen-Boron) oder einem einzigen, mit Ferrit geladenem Kunststoffteil besteht, unter Vereinigung der Funktionen des Dauermagneten und zugehörigen Magnetpolerweiterungen. Ferrit geladene Materialien, die für ihre chemische Stabilität bekannt sind, sind z. B. Kunststoffe der Poly-Oxy-Methylen (POM) – oder Poly-Aryl-Etherketon-Familien.
Ohne Rücksicht auf die oben umrissenen, unterschiedlichen Ausführungsformen wird auch der Betriebsvorgang des tristabilen Relais durch das Einschalten der Spule mit kurzen Stromimpulsen bewirkt, deren positive, negative, abwechselnde Natur die Position des tristabilen Relais bestimmt, sobald einmal die Spule ausgeschaltet ist.

Claims

Ein tristabiles Relais, umfassend: ein Kernelement (10) mit einer Spule (12) zum Magnetisieren des Kernelements (10); und ein Bauteil (14) mit mindestens einem Dauermagneten (16) zum Bestimmen eines ersten und eines zweiten Magnetpolbereichs des Bauteils (14); wobei das Bauteil (14) und das Kernelement (10) so angeordnet sind, dass eine Relativbewegung zwischen dem Bauteil (14) und dem Kernelement (10) möglich ist; Stoppmittel (18, 20; 42, 44; 54, 56) zum Begrenzen der Relativbewegung des Kernelements (10) und des Bauteils zwischen einer ersten und einer zweiten Begrenzungsstoppposition (L, R); wobei mindestens zwei Schaltelemente (18, 22; 20, 24) durch die Relativbewegung des Kernelements (10) und des Bauteils (14) ein- bzw. abgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – in der ersten Begrenzungsstoppposition (L) ein Polbereich des Kernelements (10) sich im ersten Magnetpolbereich (N) des Bauteils (14), das in Richtung des Stoppmittels (18) getrieben wird, um die erste Begrenzungsstoppposition (L) durch die Magnetisierung des Dauermagneten (16) vorzusehen, befindet, und – in der zweiten Begrenzungsstoppposition (R) der Polbereich des Kernelements (10) sich im zweiten Magnetpolbereich (S) des Bauteils (14), das in Richtung des Stoppmittels (20) getrieben wird, um die zweite Stoppposition (R) durch die Magnetisierung des Dauermagneten (16) vorzusehen, befindet; und – das Kernelement (10) und das Bauteil (14) so angeordnet sind, dass eine dritte Relativposition (C) des Kernelements (10) und des Bauteils (14) vorliegt, wobei in der dritten Relativposition der Polbereich des Kernelements (10) sich teilweise im ersten Magnetpolbereich des Bauteils (14) und teilweise im zweiten Magnetpolbereich des Bauteils (14) befindet, so dass die dritte Relativposition durch die Magnetisierung des Dauermagneten (16) stabilisiert ist.
Das tristabile Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schaltelemente (18, 22; 20, 24) in einer sich gegenseitig ausschließenden Art und Weise ein- bzw. abgeschaltet werden.
Das tristabile Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14) weiterhin mit Polerweiterungen (30, 32), die mit den Polen des Dauermagneten (16) in Kontakt sind, versehen ist, um eine optimierte Wechselwirkung zwischen den Dauermagneten (16) und dem Kernelement (10) zu erreichen.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14) ein Rotor ist.
Das tristabile Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (10) zwei getrennte, sich gegenüberliegende Polteile (10-1, 10-2) aufweist, um einen Rotorraum dazwischen zum Aufnehmen des Rotors zu bilden.
Das tristabile Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polerweiterungen, die mit den Polen des Dauermagneten (14) in Kontakt sind, über den Dauermagneten (16) in einer radialen Richtung des Rotors hinausgehen.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schaltelemente gebildet sind durch – einen ersten festen Anschluss (42); – einen zweiten festen Anschluss (44), der dem ersten festen Anschluss (42) gegenüberliegt; und – einen Hebel (38), der einen dritten Anschluss (40) trägt und mit dem ersten festen Anschluss (42) oder mit dem zweiten festen Anschluss (44) in Kontakt kommt, oder zwischen dem ersten festen Anschluss (42) und dem zweiten festen Anschluss (44) gemäß der Relativbewegung des Kernelements (10) und des Bauteils (14) positioniert ist.
Das tristabile Relais nach Anspruch 7, abhängig von Anspruch 4 und Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (38) mit dem Rotor (14) durch Betätigungskontakte (34, 36) verbunden ist.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14) ein Gleitelement ist, welches ausgelegt ist, um eine umgekehrte Linearbewegung relativ zum Kernelement (10) durchzuführen.
Das tristabile Relais nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Schaltelemente gebildet sind durch – einen ersten festen Anschluss (54); – einen zweiten festen Anschluss (56), der dem zweiten festen Anschluss (54) gegenüberliegt; – einen Hebel (50), der einen dritten Anschluss (52) trägt und mit dem ersten festen Anschluss (54) oder mit dem zweiten festen Anschluss (56) in Kontakt kommt, oder zwischen dem ersten festen Anschluss (54) und dem zweiten festen Anschluss (56) gemäß der umgekehrten Linearbewegung des Gleitelements (14) positioniert ist.
Das tristabile Relais nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (50) durch ein Drehgelenk mit dem Gleitelement (14) verbunden ist.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polerweiterungen des Gleitelements (14) ein erstes U-förmiges Teil (46) und ein zweites U-förmiges Teil (48), das innerhalb des ersten U-förmigen Teils untergebracht ist, umfassen, wobei die U-förmigen Teile in Kontakt mit zugehörigen Polflächen des Dauermagneten (16) angeordnet sind.
Das tristabile Relais nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (10) einen die Spule (12) tragenden, U-förmigen Bügel umfasst, wobei die Enden des U-förmigen Bügels den Enden der U-förmigen Polerweiterungen des Dauermagneten (16) gegenüberliegen.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (16) aus Metallkeramik-Ferrit gebildet ist.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (16) aus Polyoxymethylen (POM) gebildet ist.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (16) aus Polyaryletherketon (PEKEKK) gebildet ist.
Das tristabile Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es als eine Anordnung auf eine Druckerschaltplatte angebracht ist.
Verfahren für die Betriebnahme eines Relais nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Bewegen des Bauteils (14) relativ zum Kernelement (10) in die erste Begrenzungsstoppposition (L) durch die Zufuhr eines gegenwärtigen, eine erste Polarität aufweisenden Impulses zur Spule (12); b) Bewegen des Bauteils (14) relativ zum Kernelement (10) in die zweite Begrenzungsstoppposition (R) durch die Zufuhr eines gegenwärtigen, eine zur ersten Polarität entgegengesetzte Polarität aufweisenden Impulses zur Spule (12); gekennzeichnet durch c) Bewegen des Bauteils (14) relativ zum Kernelement (10) in die dritte Position zwischen der ersten und der zweiten Begrenzungsstoppposition durch die Zufuhr einer Folge von Impulsen mit abwechselnder Polarität und abgestimmter Energiemenge zur Spule (12).
Verfahren zur Betriebnahme eines tristabilen Relais nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr einer Folge von Impulsen mit abwechselnder Polarität und abgestimmter Energiemenge über einen PCT-Thermistor erreicht wird.