EP2737513A1 - Elektromagnetisches relais - Google Patents

Elektromagnetisches relais

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EP2737513A1
EP2737513A1 EP12735198.9A EP12735198A EP2737513A1 EP 2737513 A1 EP2737513 A1 EP 2737513A1 EP 12735198 A EP12735198 A EP 12735198A EP 2737513 A1 EP2737513 A1 EP 2737513A1
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EP
European Patent Office
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clamping
electromagnetic relay
relay
leg
contact
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EP12735198.9A
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English (en)
French (fr)
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Michael Naumann
Reiner Bindig
Alfons Kelnberger
Hans-Jürgen SCHREINER
Peter Stingl
Peter Meckler
Markus Birner
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Ellenberger and Poensgen GmbH
Ceramtec GmbH
Original Assignee
Ellenberger and Poensgen GmbH
Ceramtec GmbH
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Publication date
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Publication of EP2737513B1 publication Critical patent/EP2737513B1/de
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    • H01H71/127—Automatic release mechanisms with or without manual release using piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive trip units

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic relay, in particular a motor vehicle relay, with a magnetic yoke and with a relay coil and with a pivotable about an axis hinged armature, is held as a working or changeover a moving contact against at least a first fixed contact.
  • a relay as it is often used in particular in a motor vehicle as an electromagnetic switch is activated via a control circuit in which the relay coil is located, and usually switches at least one other circuit, in the example, an electric motor, a gasoline pump or often safety-related vehicle components , For example, a fuel injection system, is connected.
  • a monostable relay requires a permanent current flow through the relay coil (excitation winding) both to attract and hold the armature to assume and maintain the working position (ON). If the current flow is interrupted, the relay goes autonomously into its rest position (OFF).
  • a bistable relay may have two different stable states in the de-energized state, for which it switches over to a current pulse generated in the control circuit in the other switching state and this maintains until the next control pulse. The bistable relay must therefore be activated actively in order to reach a defined switching position.
  • low-power relays with low-power relay actuation are desired or required, especially since power losses and, in particular, long-term losses cause a correspondingly increased CO 2 emission of the motor vehicle.
  • low-power relay it is known from DE 43 25 619 A1, two relays in a first phase, in which a comparatively large tightening voltage for the armature is required, in parallel and following the closing of the working circle contact in a second phase, in the only a comparatively low holding voltage is required to connect in series.
  • a switch bridges a holding resistor which adjusts the holding current of the field winding of the relay.
  • a comparatively large starting current is available at the first moment when the field winding is switched on.
  • the relay control is designed to control the exciting current in the relay energization by means of a switch so that a starting current flows through the exciter winding and after holding a starting time, a holding current which is smaller than the pull-in current.
  • the invention has for its object to provide a preferably suitable as a motor vehicle relay electromagnetic relay that works as low as possible, especially in hold mode (ON).
  • the relay has a moving or changeover contact and thus forms a hybrid system with monostable behavior with only very low power consumption.
  • the moving or changeover contact is preferably kept closed by means of the piezoelectric actuator in the energized exciter winding via the hinged armature against which the moving contact in the form of a spring contact bears in a spring-biased manner.
  • the relay according to the invention is thus comparable to a bistable system according to the principle of holding operation.
  • the relay coil or field winding is currentless in contrast to a conventional monostable relay.
  • the piezoelectric actuator only needs a short current flow when it is driven, while only a voltage has to be present thereafter at only a very small leakage current (holding operation). Since the piezoelectric actuator thus operates almost without power and the relay coil is de-energized, the relay according to the invention in the holding operation also operates practically without power.
  • the hybrid piezo relay system provided thereby is particularly suitable for safe switching.
  • the monostable behavior ensures that the piezo relay in case of power failure, especially in case of failure of the vehicle electrical system voltage of a motor vehicle, reliably autonomously passes into a defined state. Since the piezoelectric actuator only maintains the contact closure in the hold mode and in the case of a currentless relay coil, as long as its drive voltage is applied, a spontaneous contact opening takes place when the drive voltage drops as a result of the voltage drop of the supply or vehicle electrical system voltage.
  • the relay according to the invention is particularly advantageous in the automotive sector, since the low power loss associated with a corresponding CO 2 - saving the motor vehicle.
  • the temperature development of the relay coil of the hybrid piezo relay system according to the invention ie the operating temperature in comparison to conventional relays considerably lower and approximately room temperature. This offers the considerable advantage of a particularly flexible or variable design of the installation space for the piezo relay.
  • a piezoelectric actuator piezoelectric Elongator
  • a piezoelectric actuator piezoelectric Elongator
  • a piezoelectric actuator piezoelectric Elongator
  • a piezoactuator embodied in particular as a piezoelectric bending transducer replaces the Excitation winding or coil and acts directly on the working contact.
  • a piezoelectric actuator which engages in direct mechanical contact on the hinged armature.
  • the piezoelectric actuator is used, in addition to or as an alternative to a pole leg of a U-shaped magnetic yoke surrounding excitation winding for lifting the hinged armature of the pole face to support a flap armature acting on the mechanical return spring to overcome an undesirable adhesive force.
  • the piezoelectric actuator of the relay according to the invention is preferably designed as a (piezo) stack actuator (stack) whose power stroke direction runs parallel to the axis of rotation of the hinged armature.
  • a lever transmission is suitably provided, which converts the power stroke into a clamping stroke for the releasable fixing of a tensioning element held on the traction contact side.
  • the transmission ratio is suitably 2: 1, so that a force stroke of the piezoelectric actuator of, for example,> 15 pm leads to a clamping stroke of 30 ⁇ m.
  • the one-sided on the hinged armature or moving contact (changeover or changeover) held tension element is guided rudd lake in an advantageous embodiment in a nip and held there non-positively due to the activation of the piezoelectric actuator.
  • the nip is preferably provided on the magnetic yoke.
  • a slot is provided which extends radially relative to the relay coil and is interrupted or closed at a suitable location by a narrow web formed by the magnetic yoke material.
  • a lever arm acted upon by the latter and, in the other direction, a clamping arm of a clamping lever pivoting about the pivot point are formed in the other direction.
  • the length of the clamping arm is preferably greater than, preferably at least twice as large as the length of the lever arm.
  • the piezoactuator acting on the clamping lever is supported on a support leg whose distance from the clamping lever is adapted to the actuator height of the piezoactuator.
  • an axial functional leg extending at right angles to the radial pole leg is preferably provided with a U-shaped receiving pocket for the piezoactuator.
  • the mutually parallel U-legs go into the supporting leg or in the clamping leg of the pole leg over.
  • the hinged armature is articulated about the axis of rotation.
  • this is formed by a bead-like clamping groove in which the tension element rests securely.
  • a clamping cam which engages in the clamping groove, is expediently provided on the clamping lever, while the clamping groove is then located on the opposite gap side on the remaining pole leg of the magnetic yoke.
  • the moving contact is preferably designed as a spring contact for generating a force acting on the hinged armature spring restoring force.
  • an approximately L-shaped spring element is suitably bent or shaped, wherein one of the bent spring legs are fixed to the functional leg of the magnetic yoke and the other spring legs on the hinged armature.
  • the piezoelectric actuator Since the piezoelectric actuator is known to behave similarly to a capacitor in the current consumption, on the one hand only at the moment of generation of the clamping force, a current flow is required. On the other hand, for safe release of the clamping in case of failure of the control voltage for driving the piezoelectric actuator that is connected in parallel with a suitable ohmic resistance. This ensures that the relay safely transitions to the predetermined state, in particular by a correspondingly reliable opening of the normally open contact or by a contact change in the case of a changeover contact.
  • the components of the relay according to the invention are preferably mounted reliably sealed in a relay housing formed from a device base and a housing cap.
  • both the relay coil and the piezoelectric actuator a preferably common control electronics genzouseintem assigned. From the housing base the working or changeover contacts and the control contacts for the electronics are led out as a flat plug connections. The connections of the piezoelectric actuator are connected inside the housing to the electronics.
  • FIG. 1 shows schematically an electromagnetic relay with a relay coil in a magnetic yoke with pivotable hinged armature and a piezoelectric actuator, which holds a working or switching contact with currentless excitation winding by means of a tension element
  • Fig. 2 in a detailed side view of the yoke with the formation of a
  • FIG. 4 shows a further perspective view of the electromagnetic relay with a view of the working or switching contact and on the tension element
  • Fig. 5 is a first exploded view of the relay with teilmont Arthurm
  • Housing base separated yoke and relay coil and a housing cap
  • Fig. 6 shows the relay in a differentiated exploded view
  • Fig. 7 is a circuit diagram of the electromagnetic relay.
  • Figure 1 shows schematically the relay 1 with a magnetic yoke 2 with pivotable about an axis of rotation 3 hinged armature 4, to which a moving contact 5 is held.
  • the moving contact 5 is in the closed position with a fixed contact (normally closed contact) 6a and in the open position to another fixed contact (normally open contact) 6b, so that a total of a change or changeover contact is formed.
  • the relay coil 7 Between the hinged armature 4 and a parallel pole leg 2a of the L-shaped yoke 2 is the relay coil 7 hereinafter referred to as the exciter winding with its magnetic core 8. Relative to the relay coil 7 extend the magnetic core 8 and a functional leg 2b of the magnetic yoke 2 in the axial direction x while the hinged armature 4 and the pole leg 2a of the magnetic yoke 2 in this respect extends in the radial direction y. In the vicinity of the functional leg 2b and the transition between this and the pole leg 2a of the magnetic yoke 2 is a piezoelectric actuator 9. This is designed as a piezo stack actuator (stack).
  • a tension element 10 which is also referred to below as a clamping spring and spans the open side of the U-shaped magnet yoke 2 and, on the one hand, on the folding arm.
  • ker 4 and on the other hand on the pole leg 2a of the magnetic yoke 2 is held.
  • the hinged armature 4 associated spring end 10a of the tension element 10 is held permanently on the hinged armature 4, while the opposite clamping end 10b of the tension element 10 in a provided in the pole leg 2a nip 1 1 (Fig. 2) with tightened hinged armature 4 and thus closed contacts 5, 6a is fixed in a clamp.
  • the relay coil 7 can be controlled without current, without the hinged armature 4 drops and consequently the contact 5, 6a opens.
  • Fig. 2 shows a side view of the pole leg 2a of the magnetic yoke 2 formed on a pole piece 2a clamping lever 12 which is formed by a radially extending y longitudinal slot 13 in the pole leg 2a.
  • a material web 14 is present or remained, which forms a pivot point about the dashed line indicated axis of rotation 15 and closes the longitudinal slot 13 practically locally.
  • a clamping arm b is formed between the pivot point or axis of rotation 15 and the location of the piezoelectric actuator 9 thus creates a lever arm a, while between the pivot point 14 and the nip 11, a clamping arm b is formed.
  • the clamping arm b is approximately twice as long as the lever arm a (b> 2a).
  • a support leg 16 is inserted into the magnetic yoke 2, where the actuated as a result of the control of the clamping lever 12 piezoelectric actuator 9 is supported.
  • the clamping force generated by the piezoelectric actuator 9 F K and the stroke direction in the z-direction, while the clamping lever 12 forming longitudinal slot 13 extends in the radial direction y.
  • nip 1 1 a clamping groove 1 1 a introduced, in which the clamping end 10b of the tension element 10 rests and thus against a Swiveling in the radial direction y is secured.
  • the clamping groove 1 1a engages a clamping cam 11 b with the interposition of the clamping end 10b of the tension element 10, which is connected to the
  • Clamping lever 12 and there to the free end of the clamping arm b is formed.
  • FIGS. 3 to 6 show a preferred embodiment of the relay 1 according to the invention in various perspective views (FIGS. 3 and 4) and in different detailed exploded views (FIGS. 5 and 6).
  • the traction element 10 clamped in the clamping gap 11 and clamped at its clamping end 10d is comparatively clearly visible.
  • the magnet core 8 riveted on the pole leg 2a, which passes through the relay coil or field winding 7 and can be seen with a head 17 (FIG ) is supported on the armature side on a bobbin or carrier 18 (FIG. 4).
  • a U-shaped receiving pocket 19 is inserted into the functional leg 2b of the magnetic yoke 2.
  • Their mutually parallel U-legs 19a and 19b go over in the (upper) clamping leg 12 and in the (lower) support leg 16 of the pole piece 2a.
  • the piezoelectric actuator 9 is contacted with contact elements 20a, 20b, which in turn are connected to an electronics 21 for relay control.
  • contact elements 22a, 22b Connected to the electronics 21 are also contact elements 22a, 22b, which are contacted in a manner not shown with the winding ends of the relay coil 7.
  • These contact elements 22a, 22b are fixed in the bobbin 18, as shown in FIG. 6 can be seen.
  • the electronics 21 is also connected to control terminals 23a, 23b, which are shown in Fig. 6.
  • the moving contact 5 is designed as a spring contact.
  • an L-shaped spring element 24 has a spring leg 24a held on the functional leg 2b of the magnetic yoke, and a further spring leg 24b, which is guided on the outside of the hinged armature 4 facing away from the relay coil 7 and connected thereto.
  • the spring element 24 and thus the spring or moving contact 5 causes a restoring force F R on the hinged armature 4 in the x-direction, so that it falls supportive by the corresponding spring force when both the relay coil 7 de-energized and the piezoelectric actuator 9 dead and thus the nip 1 is opened.
  • the illustrated and described components and components of the relay 1 are mounted on or on a housing base 25 which is covered in the final assembly state by means of a housing cap 26 preferably dirt and moisture-proof.
  • a housing base 25 which is covered in the final assembly state by means of a housing cap 26 preferably dirt and moisture-proof.
  • at least one contact terminal K4 (coil contact terminal) of the relay coil 7 and a contact terminal K5 (changeover contact) of the moving or changeover or switching contact 5 led out.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the electromagnetic piezo-relay 1 is shown according to the invention.
  • a switching circuit or path 27, into which a load 28, for example a gasoline pump or an electric motor, in series with the working con Clock 6b is connected between the positive pole and the negative pole or ground of a supply voltage Uv is switched isolated from a control circuit or path 29 of the relay 1. While FIG. 4 shows the electromagnetic relay 1 in the ON state, the OFF state is shown in FIG.
  • the electronics 21 is supplied with a control voltage Us, which is obtained in a motor vehicle from the electrical system voltage.
  • the piezoelectric actuator 9 is an ohmic resistor R electrically connected in parallel to solve the failure of the control voltage Us, the clamping of the tension element 10 in the nip 11 safely. In such an error case, the moving contact 5 moves from the closing or working state shown in the safe switching state with contacting the changeover contact 6b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais (1 ), insbesondere Kraftfahrzeug-Relais, mit einem Magnetjoch (2), mit einer Relaisspule (7), mit einem um eine Drehachse (3) schwenkbaren Klappanker (4), an dem als Arbeits- oder Umschaltkontakt ein Bewegkontakt (5) gegenüber mindestens einem ersten Festkontakt (6a) gehalten ist, sowie mit einem Piezoaktor (9), der infolge dessen Ansteuerung den Arbeits- bzw. Umschaltkontakt (5, 6a, 6b) bei stromloser Relaisspule (7) geschlossen hält.

Description

Beschreibung
Elektromagnetisches Relais
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais, insbesondere ein Kraftfahrzeug-Relais, mit einem Magnetjoch und mit einer Relaisspule sowie mit einem um eine Drehachse schwenkbaren Klappanker, an dem als Arbeits- bzw. Umschaltkontakt ein Bewegkontakt gegenüber mindestens einem ersten Festkontakt gehalten ist.
Ein Relais, wie es insbesondere auch in einem Kraftfahrzeug als elektromagnetischer Schalter vielfach Anwendung findet, wird über einen Steuerstromkreis, in dem die Relaisspule liegt, aktiviert und schaltet üblicherweise mindestens einen weiteren Stromkreis, in den beispielsweise ein Elektromotor, eine Benzinpumpe oder häufig auch sicherheitsrelevante Fahrzeugkomponenten, beispielsweise eines Kraftstoff-Einspritzsystems, geschaltet ist.
Prinzipiell wird zwischen monostabilen und bistabilen Relais unterschieden. Ein monostabiles Relais benötigt sowohl zum Anziehen als auch zum Halten des Ankers einen dauerhaften Stromfluss durch die Relaisspule (Erregerwicklung), um die Arbeitsstellung (EIN) einzunehmen und zu halten. Wird der Stromfluss unterbrochen, so geht das Relais autark in seine Ruhestellung (AUS). Ein bistabiles Relais kann im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Zustände aufweisen, wozu es bei einem im Steuerkreis erzeugten Stromimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand umschaltet und diesen bis zum nächsten Steuerimpuls beibehält. Das bistabile Relais muss daher aktiv angesteuert werden, um in eine definierte Schaltstellung zu gelangen.
Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich sind möglichst leistungsarme Relais mit stromsparender Relaisansteuerung gewünscht bzw. gefordert, zumal Verlustleistungen und insbesondere Dauerverluste einen entsprechend erhöhten CO2-AUS- stoß des Kraftfahrzeugs bedingen. Zur Bereitstellung leistungsarme Relais ist es aus der DE 43 25 619 A1 bekannt, zwei Relais in einer ersten Phase, in der eine vergleichsweise große Anzugsspannung für den Anker erforderlich ist, parallel und im Anschluss an das Schließen des Arbeitskreiskontaktes in einer zweiten Phase, in der nur eine vergleichsweise geringe Haltespannung erforderlich ist, in Reihe zu schalten.
Bei einem aus der DE 44 10 819 A1 bekannten Relais überbrückt ein Schalter einen Haltewiderstand, der den Haltestrom der Erregerwicklung des Relais einstellt. Infolge des Überbrückens des Widerstandes steht im ersten Moment des Einschaltens der Erregerwicklung ein vergleichsweise großer Anzugsstrom zur Verfügung.
Aus der DE 10 2005 037 410 A1 ist es bekannt, im Anschluss an das erfolgte Anziehen des Relais im Erregerkreis über einen Mikrokontroller die Spannungsversorgung auf ein den Arbeitskontakt haltendes Minimum zu reduzieren.
Bei einem aus der DE 10 2008 023 626 A1 bekannten Relais ist die Relaissteuerung dazu ausgebildet, bei der Relaisbestromung mittels eines Schalters den Erregerstrom derart zu steuern, dass durch die Erregerwicklung zunächst ein Anzugsstrom und nach Ablauf einer Anzugszeit ein Haltestrom fließt, der kleiner ist als der Anzugsstrom.
Auch ist es beispielsweise aus der DE 92 12 266 U1 bekannt, beim Steuern eines Relais im Anschluss an die Anzugszeit durch eine Pulsweitenmodulation des Spulenstroms die Verlustleistung in der Relaisspule zu verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bevorzugt als Kraftfahrzeug-Relais geeignetes elektromagnetisches Relais anzugeben, das insbesondere im Haltebetrieb (EIN) möglichst leistungsarm arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Hierzu weist das Relais einen den Beweg- oder Umschaltkontakt und bildet somit ein hybrides System mit monostabilem Verhalten bei nur sehr geringer Stromaufnahme. Der Beweg- bzw. Umschaltkontakt wird bei stromloser Erregerwicklung mittels des Piezoaktors vorzugsweise indirekt über den Klappanker, an dem der Bewegkontakt in Form eines Federkontaktes federvorgespannt anliegt, geschlossen halten.
Das erfindungsgemäße Relais ist somit zwar einem bistabilen System nach dem Prinzip des Haltebetriebs vergleichbar. Jedoch ist im Haltebetrieb die Relaisspule bzw. Erregerwicklung im Gegensatz zu einem herkömmlichen monostabilen Relais stromlos. Der Piezoaktor benötigt lediglich bei dessen Ansteuerung einen kurzen Stromfluss, während anschließend an diesem bei nur sehr geringem Leckstrom lediglich eine Spannung anliegen muss (Haltebetrieb). Da der Piezoaktor somit nahezu leistungslos arbeitet und die Relaisspule stromlos ist, arbeitet das erfindungsgemäße Relais im Haltebetrieb ebenfalls praktisch leistungslos.
Das hierdurch bereitgestellte hybride Piezorelais-System ist zum sicheren Schalten besonders geeignet. Das monostabile Verhalten gewährleistet, dass das Piezorelais bei einem Spannungsausfall, insbesondere bei Ausfall der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs, zuverlässig autark in einen definierten Zustand übergeht. Da im Haltebetrieb und bei stromloser Relaisspule der Piezoaktor die Kontaktschließung nur aufrecht erhält, solange dessen Ansteuerspannung anliegt, erfolgt eine spontane Kontaktöffnung bei Abfall der Ansteuerspannung infolge des Spannungsabfalls der Versorgungs- bzw. Bordnetzspannung.
Aufgrund des praktisch leistungslos aufrecht erhaltenen Halte- bzw. Ruhezustands ist das erfindungsgemäße Relais insbesondere im Kraftfahrzeugbereich äußerst vorteilhaft, da die geringe Verlustleistung mit einer entsprechenden CO2- Einsparung des Kraftfahrzeugs einhergeht. Zudem ist die Temperaturentwicklung der Relaisspule des erfindungsgemäßen hybriden Piezorelais-Systems, d. h. die Betriebstemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Relais erheblich geringer und annähernd Raumtemperatur. Dies bietet den erheblichen Vorteil einer besonders flexiblen bzw. variablen Gestaltung des Einbauraums für das Piezorelais.
Zwar ist es grundsätzlich bekannt, ein Relais mit einem Piezoaktor (piezoelektrischer Elongator) auszurüsten. Bei diesen Relais, wie sie beispielsweise aus der DE 36 03 020 C2, aus der WO 89/02659, aus der DE 198 13 128 A1 oder der DE 10 2006 018 669 A1 bekannt sind, ersetzt jedoch ein insbesondere als piezoelektrischer Biegewandler ausgeführter Piezoaktor die Erregerwicklung bzw. -spule und greift unmittelbar am Arbeitskontakt an.
Auch ist bei einem aus der DE 41 18 177 A1 bekannten Fehlerstromauslöser ein Piezoaktor eingesetzt, der in direktem mechanischen Kontakt am Klappanker angreift. Der Piezoaktor dient jedoch, zusätzlich oder alternativ zu einer den Polschenkel eines U-förmigen Magnetjoches umgebenden Erregerwicklung, zum Abheben des Klappankers von der Polfläche, um eine am Klappanker angreifende mechanische Rückstellfeder zur Überwindung einer unerwünschten Haftkraft zu unterstützen.
Der Piezoaktor des erfindungsgemäßen Relais ist vorzugsweise als (Piezo-)Sta- pelaktor (stack) ausgeführt, dessen Krafthubrichtung parallel zur Drehachse des Klappankers verläuft. Zur Vergrößerung des vom Piezoaktor infolge dessen An- steuerung erzeugten Krafthubs ist geeigneterweise eine Hebelübersetzung vorgesehen, die den Krafthub in einen Klemmhub zur lösbaren Fixierung eines klapp- anker- bzw. bewegkontaktseitig gehaltenen Zugelementes umsetzt. Das Übersetzungsverhältnis ist geeigneterweise 2:1 , so dass ein Krafthub des Piezoaktors von beispielsweise > 15 pm zu einem Klemmhub 30 pm führt.
Das einseitig am Klappanker bzw. Bewegkontakt (Wechsel- oder Umschaltkontakt) gehaltene Zugelement ist in vorteilhafter Ausgestaltung freiendseitig in einen Klemmspalt geführt und dort infolge der Ansteuerung des Piezoaktors kraftschlüssig gehalten. Der Klemmspalt ist bevorzugt am Magnetjoch vorgesehen. Hierzu ist in den zum Klappanker parallelen Polschenkel des geeigneterweise L-förmigen Magnetjochs ein durch eine Materialaussparung hergestellter Schlitz bereitgestellt, der bezogen auf die Relaisspule radial verläuft und an einer geeigneten Stelle von einem durch das Magnetjochmaterial gebildeten, schmalen Steg unterbrochen bzw. geschlossen ist. Hierdurch sind ausgehend von einer durch den Materialsteg gebildeten Dreh- oder Kippstelle in Richtung des Piezoaktors ein von diesem beaufschlagter Hebelarm und in der anderen Richtung zum Klemmspalt hin ein Klemmarm eines um die Drehstelle schwenkenden Klemmhebels gebildet. Die Länge des Klemmarms ist dabei vorzugsweise größer als, vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie die Länge des Hebelarms.
Im Montagezustand stützt sich der den Klemmhebel beaufschlagende Piezoaktor an einem Stützschenkel ab, dessen Abstand zum Klemmhebel an die Aktorhöhe des Piezoaktors angepasst ist. Bezogen auf die Relaisspule ist ein zum radialen Polschenkel rechtwinklig verlaufender axialer Funktionsschenkel vorzugsweise mit einer U-förmigen Aufnahmetasche für den Piezoaktor versehen. Die zueinander parallelen U-Schenkel gehen in den Stützschenkel bzw. in den Klemmschenkel des Polschenkels über.
An den Funktionsschenkel ist der Klappanker über die Drehachse angelenkt. Zudem ist geeigneterweise ein von der Erregerwicklung umgebener Magnetkern der Relaisspule einerseits gegen den Klappanker geführt und andererseits am Magnetjoch, das heißt am dem Klappanker gegenüberliegenden Polschenkel befestigt, beispielsweise genietet.
Um ein (radiales) Ausgleiten des Zugelementes aus dem geöffneten Klemmspalt zuverlässig zu verhindern, ist dieser von einer sickenartigen Klemmnut gebildet, in der das Zugelement sicher einliegt. Eine Klemmnocke, die in die Klemmnut eingreift, ist zweckmäßig am Klemmhebel vorgesehen, während die Klemmnut sich dann auf der gegenüberliegenden Spaltseite am verbleibenden Polschenkel des Magnetjochs befindet. Der Bewegkontakt ist bevorzugt als Federkontakt zur Erzeugung einer am Klappanker angreifenden Federrückstellkraft ausgeführt. Hierzu ist ein etwa L-förmiges Federelement geeignet gebogen bzw. geformt, wobei einer der abgekröpften Federschenkel am Funktionsschenkel des Magnetjochs und der weitere Federschenkel am Klappanker fixiert sind.
Da sich der Piezoaktor erkanntermaßen ähnlich einem Kondensator bei der Stromaufnahme verhält, ist einerseits lediglich im Moment der Erzeugung der Klemmkraft ein Stromfluss erforderlich. Andererseits ist zum sicheren Lösen der Klemmung bei Ausfall der Steuerspannung zur Ansteuerung des Piezoaktors diesem ein geeigneter ohmscher Widerstand parallel geschaltet. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Relais sicher in den vorgegebenen Zustand übergeht, insbesondere durch ein entsprechend zuverlässiges Öffnen des Arbeitskontaktes oder durch einen Kontaktwechsel im Falle eines Umschaltkontaktes.
Die Komponenten des erfindungsgemäßen Relais sind vorzugsweise in einem aus einem Gerätesockel und einer Gehäusekappe gebildeten Relaisgehäuse zuverlässig abgedichtet montiert. Dabei ist sowohl der Relaisspule als auch dem Piezoaktor eine vorzugsweise gemeinsame Steuerelektronik gehäuseintem zugeordnet. Aus dem Gehäusesockel sind die Arbeits- bzw. Umschaltkontakte sowie die Steuerkontakte für die Elektronik als Flachsteckeranschlüsse herausgeführt. Die Anschlüsse des Piezoaktors sind gehäuseintern mit der Elektronik verbunden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch ein elektromagnetisches Relais mit einer Relaisspule in einem Magnetjoch mit daran schwenkbarem Klappanker und einem Piezoaktor, der einen Arbeits- bzw. Umschaltkontakt bei stromloser Erregerwicklung mittels eines Zugelementes geschlossen hält,
Fig. 2 in detaillierter Seitenansicht das Magnetjoch mit unter Bildung eines
Klemmhebels geschlitztem Polschenkel, Fig. 3 in perspektivischer Detailansicht das elektromagnetische Relais mit
Blick auf den Piezoaktor bei geöffnetem Gehäuse,
Fig. 4 eine weitere perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Relais mit Blick auf den Arbeits- bzw. Umschaltkontakt und auf das Zugelement,
Fig. 5 eine erste Explosionsdarstellung des Relais mit teilmontiertem
Gehäusesockel, separiertem Joch und Relaisspule sowie einer Gehäusekappe,
Fig. 6 das Relais in differenzierter Explosionsdarstellung, und
Fig. 7 ein Schaltbild des elektromagnetischen Relais.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch das Relais 1 mit einem Magnetjoch 2 mit daran um eine Drehachse 3 schwenkbarem Klappanker 4, an dem ein Bewegkontakt 5 gehalten ist. Der Bewegkontakt 5 befindet sich in der Schließstellung mit einem Festkontakt (Ruhekontakt) 6a sowie in Offenstellung zu einem weiteren Festkontakt (Arbeitskontakt) 6b, so dass insgesamt ein Wechsel- oder Umschaltkontakt gebildet ist.
Zwischen dem Klappanker 4 und einem hierzu parallelen Polschenkel 2a des L- förmigen Magnetjoches 2 befindet sich die nachfolgend auch als Erregerwicklung bezeichnete Relaisspule 7 mit deren Magnetkern 8. Bezogen auf die Relaisspule 7 verlaufen der Magnetkern 8 sowie ein Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches 2 in Axialrichtung x, während der Klappanker 4 und der Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 diesbezüglich in Radialrichtung y verläuft. In der Nähe des Funktionsschenkels 2b bzw. des Übergangs zwischen diesem und dem Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 befindet sich ein Piezoaktor 9. Dieser ist als Piezostapelaktor (stack) ausgeführt.
Dem Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches 2 gegenüberliegend befindet sich ein nachfolgend auch als Klemmfeder bezeichnetes Zugelement 10, das die offene Seite des U-förmigen Magnetjoches 2 überspannt und einerseits am Klappan- ker 4 sowie andererseits am Polschenkel 2a des Magnetjochs 2 gehalten ist. Das dem Klappanker 4 zugeordnete Federende 10a des Zugelementes 10 ist am Klappanker 4 unlösbar gehalten, während das gegenüberliegende Klemmende 10b des Zugelementes 10 in einem im Polschenkel 2a vorgesehenen Klemmspalt 1 1 (Fig. 2) bei angezogenem Klappanker 4 und somit geschlossenen Kontakten 5, 6a klemmfixiert ist. In diesem Zustand kann die Relaisspule 7 stromlos gesteuert werden, ohne dass der Klappanker 4 abfällt und demzufolge der Kontakt 5, 6a öffnet.
Hierdurch ist ein hybrides Piezorelais-System zum sicheren Schalten mit monostabilem Verhalten und äußerst geringer Stromaufnahme bereitgestellt. Da die Relaisspule 7 im gezeigten Haltebetrieb stromlos und der Piezoaktor 9 zur Aufrechterhaltung der infolge dessen Ansteuerung bzw. Spannungsbeaufschlagung erzeugten Klemmkraft FK, die das Zugelement 10 bei angezogenem Anker 4 hält, lediglich der erforderlichen Ansteuerspannung bedarf und die Leckströme bei einem derartigen Piezostapelaktor 9 äußerst gering sind, wird die Kontaktschließung der Kontakte 5, 6a nahezu leistungslos erzielt. Dies ist insbesondere im Kraftfahrzeugbereich äußerst vorteilhaft, da die Verlustleistung eines Relais mit jedem Watt elektrischer Leistung mit einem entsprechend erhöhten C02-Ausstoß des Kraftfahrzeugs einhergeht.
Fig. 2 zeigt in einer Seitenansicht auf den Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 einen am Polschenkel 2a ausgebildeten Klemmhebel 12, der durch einen in Radialrichtung y verlaufenden Längsschlitz 13 im Polschenkel 2a gebildet ist. Entlang des Längsschlitzes (Material- oder Radialschlitz) 13 ist ein Materialsteg 14 vorhanden bzw. verblieben, der eine Drehstelle um die strichliniert angedeutete Drehachse 15 bildet und den Längsschlitz 13 praktisch lokal schließt. Zwischen der Drehstelle bzw. Drehachse 15 und dem Ort des Piezoaktors 9 entsteht somit eine Hebelarm a, während zwischen der Drehstelle 14 und dem Klemmspalt 11 ein Klemmarm b entsteht. Dabei ist der Klemmarm b im Ausführungsbeispiel etwa doppelt so lang wie der Hebelarm a (b > 2a). Um die in z-Richtung verlaufende Aktorhöhe h des Piezoaktors beabstandet zum Klemmhebel 12 ist in das Magnetjoch 2 ein Stützschenkel 16 eingebracht, an dem sich der infolge dessen Ansteuerung den Klemmhebel 12 betätigende Piezoaktor 9 abstützt. Gemäß dem dargestellten kartesischen Koordinatensystem verläuft die vom Piezoaktor 9 erzeugte Klemmkraft FK sowie dessen Hubrichtung in z-Richtung, während der den Klemmhebel 12 bildende Längsschlitz 13 in Radialrichtung y verläuft.
Aus Fig. 2 vergleichsweise deutlich erkennbar ist auch die Ausgestaltung des Klemmspaltes 1 1. So ist in den Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 im Bereich des Klemmspaltes 11 eine Klemmnut 1 1 a eingebracht, in der das Klemmende 10b des Zugelementes 10 einliegt und somit gegen ein Ausschwenken in Radialrichtung y gesichert ist. In die Klemmnut 1 1a greift eine Klemmnocke 11 b unter Zwischenlage des Klemmendes 10b des Zugelementes 10 ein, die an den
Klemmhebel 12 und dort an das Freiende dessen Klemmarms b angeformt ist.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Relais 1 in verschiedenen perspektivischen Ansichten (Fig. 3 und 4) sowie in unterschiedlich detaillierten Explosionsdarstellungen (Fig. 5 und 6).
Aus Fig. 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist das im Klemmspalt 11 einliegende und an dessen Klemmende 10d geklemmte Zugelement 10. Erkennbar ist zudem der am Polschenkel 2a genietete Magnetkern 8, der die Relaisspule bzw. Erregerwicklung 7 durchsetzt und mit einem Kopf 17 (Fig. 6) ankerseitig an einem Spulenkörper oder -träger 18 abgestützt ist (Fig. 4).
Zur besonders funktionalen und raumsparenden Anordnung des Piezoaktors 9 ist in den Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches 2 eine U-förmige Aufnahmetasche 19 eingebracht. Deren zueinander parallelen U-Schenkel 19a und 19b gehen in den (oberen) Klemmschenkel 12 bzw. in den (unteren) Stützschenkel 16 des Polschenkels 2a über. Der Piezoaktor 9 ist mit Kontaktelementen 20a, 20b kontaktiert, die ihrerseits mit einer Elektronik 21 zur Relaissteuerung verbunden sind. Mit der Elektronik 21 verbunden sind auch Kontaktelemente 22a, 22b, die in nicht näher dargestellter Art und Weise mit den Wicklungsenden der Relaisspule 7 kontaktiert sind. Diese Kontaktelemente 22a, 22b sind im Spulenkörper 18 fixiert, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Elektronik 21 ist zudem mit Steueranschlüssen 23a, 23b verbunden, die in Fig. 6 dargestellt sind.
Wie aus den Fig. 4 und 6 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist der Bewegkontakt 5 als Federkontakt ausgeführt. Dazu weist ein L-förmiges Federelement 24 einen am Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches gehaltenen Federschenkel 24a sowie einen weiteren Federschenkel 24b auf, der auf die der Relaisspule 7 abgewandte Außenseite des Klappankers 4 geführt und dort mit diesem verbunden ist. Das Federelement 24 und somit der Feder- bzw. Bewegkontakt 5 bewirkt eine Rückstellkraft FR auf den Klappanker 4 in x-Richtung, so dass dieser unterstütz durch die entsprechende Federkraft abfällt, wenn sowohl die Relaisspule 7 stromlos als auch der Piezoaktor 9 spannungslos und somit der Klemmspalt 1 geöffnet ist.
Die dargestellten und beschriebenen Komponenten und Bauelemente des Relais 1 sind an bzw. auf einem Gehäusesockel 25 montiert, der im Montageendzustand mittels einer Gehäusekappe 26 vorzugsweise schmutz- und feuchtigkeitsdicht abgedeckt ist. Aus dem im Querschnitt etwa quadratischen Gehäusesockel 25 sind bodenseitig Kontaktanschlüsse Κι, K2 (Arbeits- bzw. Ruhekontaktanschluss) der Festkontakte 6a (Ruhekontakt) bzw. 6b (Arbeitskontakt), mindestens ein Kontaktanschluss K3 (Steueranschluss 23a und/oder 23b) der Elektronik 21 , mindestens ein Kontaktanschluss K4 (Spulenkontaktanschluss) der Relaisspule 7 sowie ein Kontaktanschluss K5 (Wechselkontaktanschluss) des Beweg- bzw. Wechsel- oder Umschaltkontaktes 5 herausgeführt.
In Fig. 7 ist ein Schaltbild des elektromagnetischen Piezo-Relais 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Schaltstromkreis oder -pfad 27, in den eine Last 28, beispielhaft eine Benzinpumpe oder ein Elektromotor, in Reihe mit dem Arbeitskon- takt 6b zwischen dem Pluspol und dem Minuspol bzw. Masse einer Versorgungsspannung Uv geschaltet ist, wird von einem Steuerkreis bzw. -pfad 29 des Relais 1 galvanisch getrennt geschaltet. Während in Fig. 4 das elektromagnetische Relais 1 im Einschaltzustand (EIN) zeigt, ist in Fig. 7 der Ausschaltzustand (AUS) dargestellt.
Die Elektronik 21 wird mit einer Steuerspannung Us versorgt, die bei einem Kraftfahrzeug aus dessen Bordnetzspannung gewonnen wird. Dem Piezoaktor 9 ist ein ohmscher Widerstand R elektrisch parallel geschaltet, um bei Ausfall der Steuerspannung Us die Klemmung des Zugelementes 10 im Klemmspalt 11 sicher zu lösen. In einem solchen Fehlerfall geht der Bewegkontakt 5 aus dem gezeigten Schließ- oder Arbeitszustand in den sicheren Umschaltzustand mit Kontaktierung am Wechselkontakt 6b über.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Relais 20b Kontaktelement
2 Magnetjoch 21 Elektronik
2a Polschenkel 22a Kontaktelement
2b Funktionsschenkel 22b Kontaktelement
3 Drehachse 23a Steueranschluss
4 Klappanker 23b Steueranschluss
5 Bewegkontakt 24 Federelement
6a Arbeitskontakt 24a Federschenkel
6b Ruhekontakt 24b Federschenkel
7 Relaisspule 25 Gehäusesockel
Magnetkern 27 Schaltstromkreis/-pfad
9 Piezoaktor 28 Last
10 Zugelement 29 Steuerkreis/-pfad
10a Federende
10b Klemmende a Hebelarm
10d Klemmende b Klemmarm
11 Klemmspalt h Aktorhöhe
1 1 a Klemmnut FK Klemmkraft
1 1 b Klemmnocke FR Federrückstellkraft
12 Klemmhebel KI Arbeitskontaktanschluss
13 Längsschlitz K2 Ruhekontaktanschluss
14 Materialsteg Ka Spulenkontaktanschluss
15 Drehachse/-stelle K4 Spulenkontaktanschluss
16 Stützschenkel K5 Wechselkontaktanschluss
18 Spulenkörper Us Steuerspannung
19 Aufnahmetasche Uv Versorgungsspannung
19a U-Schenkel X Axialrichtung
19b U-Schenkel y Radialrichtung
0a Kontaktelement

Claims

P1 10318P-RF/SK/BK/UH 18. Juni 2012 Ansprüche
1. Elektromagnetisches Relais (1 ), insbesondere Kraftfahrzeug-Relais, mit einem Magnetjoch (2) und mit einer Relaisspule (7) sowie mit einem um eine Drehachse (3) schwenkbaren Klappanker (4), an dem ein Bewegkontakt (5) gegenüber mindestens einem ersten Festkontakt (6a, 6b) gehalten ist, gekennzeichnet durch
einen Piezoaktor (9), der infolge dessen Ansteuerung den Bewegkontakt (5) bei stromloser Relaisspule (7) geschlossen hält.
2. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
einen Piezostapelaktor (9), dessen Krafthubrichtung (h) infolge der Ansteuerung parallel zur Drehachse (3) des Klappankers (4) verläuft.
3. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
eine Hebelübersetzung (a, b) zur Umsetzung eines vom Piezoaktor (9) infolge dessen Ansteuerung erzeugten Krafthubs in einen Klemmhub zur lösbaren Klemmfixierung eines klappanker- und/oder bewegkontaktseitig gehaltenen Zugelementes (10).
4. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das einseitig am Klappanker (4) gehaltene Zugelement (10) freiend- seitig in einen Klemmspalt (1 1 ) geführt und infolge der Ansteuerung des Piezoaktors (9) im Klemmspalt (1 1 ) kraftschlüssig gehalten ist.
5. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetjoch (2) ein um eine Dreh- oder Kippstelle (15) schwenkenden Klemmhebel (12) mit einem vom Piezoaktor (9) beaufschlagten Hebelarm (a) und mit einem zum Klemmspalt (11 ) geführten Klemmarm (b) aufweist.
6. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmhebel (12) durch einen in das Magnetjoch (2), insbesondere in deren Polschenkel (2a), eingebrachten Radialschlitz (13) hergestellt ist, der von einem die Drehstelle (15) darstellenden Materialsteg (14) gebildet ist.
7. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmarm (b) länger als, insbesondere mindestens doppelt so lang wie der Hebelarm (a) ist.
8. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zugelement (10) axial und der Klemmspalt (11 ) radial zur Relaisspule (7) orientiert ist.
9. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetjoch (2) einen zum Klemmhebel (12) beabstandeten Stützschenkel (16) aufweist, an dem sich der infolge dessen Ansteuerung den Klemmhebel (12) betätigende Piezoaktor (9) abstützt.
10. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen dem Klemmhebel (12) und dem Stützschenkel (16) an die in Hubrichtung (z) des Piezoaktors (9) verlaufende Aktorhöhe (h) angepasst ist.
11. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
gekennzeichnet durch
ein L-förmiges Magnetjoch (2) mit bezogen auf die Relaisspule (7) einem radialen Polschenkel (2a) und einem axialen Funktionsschenkel (2b), an den der Klappanker (4) über die Drehachse (3) angelenkt ist.
^.Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Funktionsschenkel (2b) eine U-förmige Aufnahmetasche (19) für den Piezoaktor (9) aufweist, wobei die zueinander parallelen U-Schenkel (19a, 19b) in den Klemmschenkel (12) bzw. in den Stützschenkel (16) des Polschenkels (2a) übergehen.
13. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Relaisspule (7) einen von einer Erregerwicklung umgebenen und gegen den Klappanker (4) geführten Magnetkern (8) aufweist, der am Magnetjoch (2) befestigt ist.
^.Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmspalt (1 1 ) von einer, vorzugsweise am Klemmhebel (12) vorgesehenen, Klemmnocke (11 b) und einer sickenartigen Klemmnut (11 a) gebildet ist, in welche die Klemmnocke (11 b) unter Sicherung des Zugelementes (10) gegen ein radiales Ausschwenken eingreift.
15. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bewegkontakt (5) als Federkontakt zur Erzeugung einer am Klappanker (4) angreifenden Federrückstellkraft (FR) ausgeführt ist.
16. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein etwa L-förmiges Federelement (24) des Federkontaktes derart gebogen ist, dass einer der abgekröpften Federschenkel (24a) am Funktionsschenkel (2a) des Magnetjochs (2) und der weitere Federschenkel (24b) am Klappanker (4) fixiert sind.
17. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass unter Bildung des Umschaltkontaktes (5, 6a, 6b) ein zweiter Festkontakt (6b) mit einem dem Piezoaktor (9) parallel geschalteten ohmschen Widerstand (R) verbunden ist.
18. Elektromagnetisches Relais (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit einer Steuerelektronik (21 ) zur Ansteuerung sowohl der Relaisspule (7) als auch des Piezoaktors (9).
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