WO2018219624A1 - Elektromechanisches relais zum bestimmen einer position eines ankers - Google Patents

Elektromechanisches relais zum bestimmen einer position eines ankers Download PDF

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WO2018219624A1
WO2018219624A1 PCT/EP2018/062347 EP2018062347W WO2018219624A1 WO 2018219624 A1 WO2018219624 A1 WO 2018219624A1 EP 2018062347 W EP2018062347 W EP 2018062347W WO 2018219624 A1 WO2018219624 A1 WO 2018219624A1
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flux density
magnetic field
electromechanical relay
magnetic flux
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PCT/EP2018/062347
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Ralf Hoffmann
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Phoenix Contact Gmbh & Co Kg
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    • H01H47/02—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/04—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current
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    • H01H47/04—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current
    • H01H2047/046—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current with measuring of the magnetic field, e.g. of the magnetic flux, for the control of coil current

Definitions

  • Electromechanical relay for determining a position of an anchor
  • Monitoring an operating state of an electromechanical relay For detecting and monitoring an operating state of an electromechanical relay are various mechanical characteristics, such as a hub or a
  • Angle of rotation of the armature the electromechanical relay of importance. Further, contact events of the electromechanical relay, such as opening and closing of contacts, are of interest at certain positions of the armature. Furthermore, this can be used to determine a burnup of the contacts of the electromechanical relay.
  • the position of the armature is determined at the open relay with a suitable mechanical measuring device.
  • a force sensor can be moved by means of a linear drive with a displacement sensor to record a force-displacement curve.
  • an open relay is required, so this approach is unsuitable for the ongoing operation of the electromechanical relay.
  • magnetic sensors can be used to determine a position of the armature.
  • these approaches are only suitable for detecting a respective end position of the armature, and can the required resolution for the determination of
  • the invention is based on the finding that the above object is achieved by a
  • electromechanical relay can be solved, which comprises a memory with a predetermined characteristic field, which can be determined in advance using a meta-model.
  • the meta model takes into account one
  • the predetermined characteristic field can in particular indicate an assignment of a value pair from a reference electrical current and a reference magnetic flux density to a reference position of the armature. Accordingly, by detecting a current through the exciting coil and detecting a magnetic flux density of a magnetic field in an environment of the armature, the position of the armature can be accurately determined at any time using the aforementioned assignment.
  • the invention relates to an electromechanical relay for determining a position of an armature, wherein the armature is designed to close a circuit of the electromechanical relay.
  • the electromechanical relay includes an excitation coil configured to generate a magnetic field in response to an electrical current through the excitation coil, the magnetic field extending to the armature.
  • the electromechanical relay further comprises a
  • the electromechanical relay further comprises a memory in which a predetermined characteristic field is stored, wherein the predetermined
  • Characteristic field indicates at least one assignment of a reference electrical current and a reference magnetic flux density to a reference position of the armature, and a processor, which is configured to compare the detected electric current with the reference electric current, to compare the detected magnetic flux density with the reference magnetic flux density, and the Position of the anchor on the basis of
  • the at least one assignment thus forms a value pair comprising an electrical reference current and a reference magnetic flux density to a reference position of the armature.
  • the predetermined characteristic map may indicate a plurality of such assignments.
  • the magnetic field detection device is adapted to detect a further magnetic flux density of the magnetic field in the vicinity of the armature, wherein the predetermined characteristic field indicates at least one assignment of a reference electrical current, a reference magnetic flux density and another reference magnetic flux density to a reference position of the armature, and wherein the processor is configured to compare the detected further magnetic flux density with the further reference magnetic flux density.
  • the at least one assignment thus forms a value triplet comprising an electrical reference current, a reference magnetic flux density and another magnetic
  • Characteristic field can display a plurality of such assignments.
  • the magnetic flux density is associated with a magnetic field direction
  • the further magnetic flux density is associated with a further magnetic field direction
  • the magnetic field direction and the further magnetic field direction are perpendicular to each other.
  • the magnetic field detection device comprises a
  • the magnetic field detection device comprises a
  • Magnetic field sensor and another magnetic field sensor wherein the magnetic field sensor is adapted to detect the magnetic flux density, and wherein the further
  • Magnetic field sensor is designed to detect the further magnetic flux density.
  • the magnetic field sensor and the further magnetic field sensor are arranged on opposite sides of the armature.
  • the magnetic field detection device is designed to detect at least one magnetic flux density in an air gap between the armature and an inner surface of the electromechanical relay.
  • the magnetic field detection device is designed to detect the further magnetic flux density in a further air gap between the armature and a further inner surface of the electromechanical relay.
  • the electromechanical relay comprises a
  • Magnetic field detection device is arranged on the plastic surface.
  • Plastic surface is reduced or avoided influencing the magnetic field in the vicinity of the armature.
  • the electromechanical relay comprises a
  • Communication interface which is adapted to receive the predetermined characteristic field from a calibration device, and store the predetermined characteristic field in the memory.
  • a calibration of the electromechanical relay can take place during the production of the electromechanical relay.
  • the calibration device may determine and provide the predetermined characteristic map.
  • the predetermined characteristic field is stored in the form of a look-up table in the memory.
  • the processor is configured to be the predetermined one
  • Characteristic field to interpolate may be performed using the at least one mapping determined by the predetermined one
  • the armature is a rocker armature.
  • the electromechanical relay may thus be an electromechanical rocker armature relay.
  • the position of the armature represents a deflection of a reference point of the armature.
  • the anchor reference point may be at one end of the anchor, for example.
  • the position of the armature represents a rotation angle of the armature about a reference point of the armature.
  • the anchor reference point may be in the middle of the anchor, for example.
  • the processor is configured to determine an overstroke of the armature based on the position of the armature and a predetermined ratio factor.
  • the predetermined transmission factor will depend on the arrangement of the armature in the electromechanical relay.
  • the processor is configured to determine a contact spacing of the armature based on the position of the armature and a predetermined ratio factor.
  • the predetermined transmission factor will depend on the arrangement of the armature in the electromechanical relay.
  • the invention relates to a method for determining a position of an armature of an electromechanical relay, wherein the armature is designed to close a circuit of the electromechanical relay.
  • the electromechanical relay comprises an excitation coil, a current detection device, a
  • Magnetic field detection device a memory and a processor.
  • the exciting coil is configured to generate a magnetic field in response to an electric current through the exciting coil, wherein the magnetic field extends to the armature.
  • a predetermined characteristic field is stored, wherein the predetermined
  • Characteristic field displays at least one assignment of an electrical reference current and a magnetic reference flux density to a reference position of the armature.
  • the method comprises detecting the electric current through the exciting coil by the current detecting means, detecting at least a magnetic flux density of the magnetic field in an environment of the armature through the
  • Magnetic field detecting means comparing the detected electric current with the reference electric current by the processor, comparing the detected magnetic flux density with the reference magnetic flux density by the processor, and determining the position of the armature on the basis of the reference position of the armature by the processor.
  • the method can be performed by the electromechanical relay. Other features of the method result directly from the features or functionality of the electromechanical relay.
  • the invention relates to a computer program with a
  • the electromechanical relay may be program-programmed to execute the computer program.
  • the invention can be implemented in hardware and / or software.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electromechanical relay for determining a position of an armature
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a method for determining a position of an armature of an electromechanical relay
  • Fig. 3a is a schematic diagram of an electromechanical relay for determining a position of an armature
  • Fig. 3b is a schematic diagram of an electromechanical relay for determining a position of an armature
  • 4a is a schematic diagram of a magnetic flux density in response to a position of an armature and an electric current through an exciting coil.
  • 4b is a schematic diagram of a magnetic flux density as a function of a position of an armature and an electric current through an exciting coil.
  • 4c is a schematic diagram of a magnetic flux density in response to a position of an armature and an electric current through an exciting coil;
  • Fig. 4d is a schematic diagram of a magnetic flux density in response to a position of an armature and an electric current through an exciting coil;
  • 4e is a schematic diagram of an electric current through an exciting coil as a function of time
  • Fig. 5 is a schematic diagram of an electromechanical relay for determining a position of an armature
  • Fig. 6a is a schematic diagram of a position of an armature in response to an electric current through an exciting coil and a magnetic flux density
  • Fig. 6b is a schematic diagram of a position of an armature in response to an electric current through an exciting coil and a magnetic flux density
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a determination of a position of an armature in FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an electromechanical relay 100 for determining a position of an armature, wherein the armature is configured to close a circuit of the electromechanical relay 100.
  • the electromechanical relay 100 includes an exciting coil 101 which is configured to generate a magnetic field in response to an electric current through the exciting coil 101, the magnetic field extending to the armature.
  • Electromechanical relays 100 further include a current detecting means 103 adapted to detect the electric current through the exciting coil 101, and a magnetic field detecting means 105 configured to detect at least a magnetic flux density of the magnetic field in an environment of the armature.
  • the electromechanical relay 100 further comprises a memory 107 in which a predetermined characteristic field is stored, the predetermined characteristic field indicating at least one assignment of a reference electrical current and a reference magnetic flux density to a reference position of the armature, and a processor 109 configured to detect the detected one electric current with the electric To compare reference current, to compare the detected magnetic flux density with the reference magnetic flux density, and the position of the armature on the basis of
  • the electromechanical relay comprises an excitation coil, a current detection device, a
  • Magnetic field detection device a memory and a processor.
  • the exciting coil is configured to generate a magnetic field in response to an electric current through the exciting coil, wherein the magnetic field extends to the armature.
  • a predetermined characteristic field is stored, wherein the predetermined
  • Characteristic field displays at least one assignment of an electrical reference current and a magnetic reference flux density to a reference position of the armature.
  • the method 200 includes detecting 201 the electric current through the
  • An exciting coil by the current detecting means detecting 203 at least one magnetic flux density of the magnetic field in an environment of the armature by the magnetic field detecting means, comparing 205 the detected electric current with the reference electric current through the processor, comparing 207 the detected magnetic flux density with the reference magnetic flux density by the processor, and determining the position of the armature 209 on the basis of
  • FIG. 3 a and 3b each show a schematic diagram of an electromechanical relay 100 for determining a position of an armature 301.
  • the armature 301 is in a first end position and in FIG. 3 b the armature 301 is in a second end position.
  • the armature 301 is designed to open and close a circuit, in particular a load circuit, of the electromechanical relay 100.
  • the armature 301 is designed as an exemplary rocker armature.
  • the electromechanical relay 100 includes an excitation coil configured to generate a magnetic field in response to an electrical current through the excitation coil, the magnetic field extending to the armature.
  • Electromechanical relay 100 further comprises a current detecting means, which is adapted to detect the electric current through the exciting coil, and a magnetic field detecting means, which is formed, at least one magnetic To detect flux density of the magnetic field in an environment of the armature 301.
  • the electromechanical relay 100 also includes a memory in which a
  • predetermined characteristic field is stored, wherein the predetermined characteristic field indicates at least one assignment of a reference electrical current and a reference magnetic flux density to a reference position of the armature 301, and a processor which is adapted to the detected electric current with the electric
  • the magnetic flux density can be detected, for example, in or in the vicinity of an air gap ("air gap 1") or in or in the vicinity of another air gap (“air gap 2”), wherein the air gap between the armature 301 and an inner surface of the air gap
  • electromechanical relay 100 is arranged, and wherein the further air gap between the armature 301 and another inner surface of the electromechanical relay 100 is arranged.
  • the concept according to the invention allows the intensity and optionally the direction of the magnetic flux to be detected and / or calculated at at least one location in the electromechanical relay 100 at different positions of the armature 301 and different electrical currents through the exciter coil.
  • FIGS. 4a to 4d each show a schematic diagram of a magnetic
  • Fig. 4a shows the magnetic flux density in the x-direction at a first location in the electromechanical relay.
  • Fig. 4b shows the magnetic flux density in the x-direction at a second location in the
  • Fig. 4c shows the magnetic flux density in the z direction at the first location in the electromechanical relay.
  • Fig. 4d shows the magnetic flux density in the z-direction at the second location in the electromechanical relay. The magnetic flux density is determined using a regression, respectively.
  • Connections and repercussions are typically nonlinear and unknown Angle of rotation or the unknown position of the anchor and the time and
  • 4e shows a schematic diagram of an electric current through a
  • a first reaction is by a
  • Closing a first contact causes.
  • a second reaction is caused by the anchor impact.
  • the correlation between the electrical current through the excitation coil and the excitation and the position of the armature to the (optionally directional) magnetic flux density B x and B z can be high and close to 100% (see also Fig. 4a to Fig. 4d ). Accordingly, a corresponding correlation function can also be switched and the position of the armature in dependence on the electric current through the
  • Excitation coil and the excitation and the magnetic flux density Bx, Bz and / or By are shown.
  • 5 shows a schematic diagram of an electromechanical relay 100 for determining a position of an armature 301.
  • the armature 301 is formed, a
  • the electromechanical relay 100 to open and close.
  • the armature 301 is designed as an exemplary rocker armature.
  • the electromechanical relay 100 includes an exciting coil configured to generate a magnetic field in response to an electric current through the exciting coil, the magnetic field extending to the armature 301.
  • Electromechanical relay 100 further comprises a current detecting means, which is adapted to detect the electric current through the exciting coil, and a magnetic field detecting means, which is formed, a magnetic flux density of the magnetic field in an environment of the armature 301 and another magnetic To detect flux density of the magnetic field in the vicinity of the armature 301.
  • the electromechanical relay 100 also includes a memory in which a
  • predetermined characteristic field is stored predetermined characteristic field, wherein the predetermined characteristic field at least one assignment of an electrical reference current, a magnetic
  • Indicates reference position of the armature and a processor, which is configured to compare the detected electric current with the reference electric current, to compare the detected magnetic flux density with the reference magnetic flux density, the detected further magnetic flux density with the other magnetic
  • the at least one assignment consequently forms a value triplet comprising an electrical reference current, a reference magnetic flux density and a further reference magnetic flux density to a reference position of the armature.
  • Characteristic field can display a plurality of such assignments.
  • the processor may be configured to interpolate the predetermined characteristic field.
  • the magnetic flux density is associated with a magnetic field direction, wherein the further magnetic flux density is associated with a further magnetic field direction.
  • Magnetic field direction and the further magnetic field direction may be perpendicular to each other.
  • Coordinate system run and can extend the further magnetic field direction along a z-axis of the coordinate system.
  • the magnetic flux density and the further magnetic flux density can consequently be detected depending on the direction.
  • the magnetic field detection device comprises a magnetic field sensor 501 and a further magnetic field sensor 503, wherein the magnetic field sensor 501 is designed to detect the magnetic flux density, and wherein the further magnetic field sensor 503 is designed to detect the further magnetic flux density.
  • the magnetic field sensor 501 is designed to detect the magnetic flux density
  • the further magnetic field sensor 503 is designed to detect the further magnetic flux density.
  • Magnetic field detecting means comprise only a magnetic field sensor 501, 503, wherein the magnetic field sensor 501, 503 is adapted to detect both the magnetic flux density and the further magnetic flux density.
  • the magnetic field detection device in particular the magnetic field sensor 501, is designed to detect the magnetic flux density in an air gap between the armature 301 and an inner surface of the electromechanical relay 100.
  • the Magnetic field detection device in particular the further magnetic field sensor 503, is designed to detect the further magnetic flux density in a further air gap between the armature 301 and a further inner surface of the electromechanical relay 100.
  • the electromechanical relay 100 may comprise a plastic surface which is arranged in the vicinity of the armature 301, wherein the magnetic field detection device, in particular the magnetic field sensor 501 and / or the further magnetic field sensor 503, is arranged on the plastic surface.
  • the magnetic field detection device in particular the magnetic field sensor 501 and / or the further magnetic field sensor 503, is arranged on the plastic surface.
  • Magnetic field sensor 503 are disposed on opposite sides of the armature.
  • Flux density B x , B z , and / or B y at at least one prominent location in the electromechanical relay 100 to determine the position of the armature 301 at arbitrary times, including during movement of the armature 301 and under any variable current excitation conditions.
  • the application in an electromechanical relay 100 with a rocker armature as anchor 301 may be particularly advantageous because of the two
  • Positions of the armature are present (see also Fig. 3a and Fig. 3b).
  • AW anchor angle
  • APos the position of the armature in the form of a deflection of the armature
  • the quantities of the (optionally direction-dependent) magnetic flux density B x , B z and / or B y detected by the magnetic field detection device, in particular the sensors 501, 503, are detected by the excitation coil with the detected electrical current of the predetermined characteristic field, in which the correlations of these quantities is mapped evaluated. As a result, the time-dependent position or angle of rotation of the armature 301 is obtained. These correlations are shown by way of example in FIGS. 6a and 6b.
  • mappings may include the following
  • overstroke translation factor * (position of armature 301 at time contact closes - end position armature 301)
  • FIGS. 6a and 6b each show a schematic diagram of a position of an armature in response to an electric current through an exciting coil and a magnetic flux density.
  • the position of the armature corresponds by way of example to a rotation angle of the armature about a reference point in the center of the armature.
  • Fig. 6a relates to the magnetic flux density in the x direction at a location in the electromechanical relay.
  • Fig. 6b relates to the magnetic flux density in the z direction at the location in the electromechanical relay.
  • the position of the armature is shown in the form of a surface diagram as a function of the electrical current through the exciting coil and the magnetic flux density, wherein the surface diagram may represent a predetermined characteristic field 601.
  • the electric current is referred to as electrical reference current
  • the magnetic flux density as the reference magnetic flux density
  • the further magnetic flux density as a further reference magnetic flux density
  • the position of the armature as the reference position of the armature.
  • 7 shows a schematic diagram of a determination of a position of an armature in response to an electric current through an exciting coil, a magnetic flux density, and another magnetic flux density.
  • the electric current through the excitation coil (“coil current"), the magnetic flux density (“flux density Bz”) and the other magnetic flux density (“flux density Bx”) are first detected, and the electric current through the excitation coil can be converted into an electrical excitation.
  • the electrical current through the excitation coil or the excitation is compared with an electrical reference current, the magnetic
  • Flux density is compared to a reference magnetic flux density, and the further magnetic flux density is compared to another reference magnetic flux density, wherein a predetermined family of characteristics 601 relates the reference electrical current, reference magnetic flux density, and other reference magnetic flux density to a reference position of the armature.
  • the position of the armature is thus determined based on the reference position of the armature.
  • the predetermined characteristic field 601 can be determined beforehand using a cybernetic metamodel.
  • AW f (B x (n); B z (n); 1 spute )
  • AW is the position of the armature in the form of an angle of rotation of the armature ( arm angle, AW)
  • B x the magnetic flux density in the x direction
  • B z the further magnetic flux density in the z direction
  • n an index
  • L SU ie represents the current through the excitation coil or the excitation.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Details Of Connecting Devices For Male And Female Coupling (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Relais (100) zum Bestimmen einer Position eines Ankers. Das elektromechanische Relais (100) umfasst eine Erregerspule (101), welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld zu erzeugen. Das elektromechanische Relais (100) umfasst eine Stromerfassungseinrichtung (103), welche ausgebildet ist, einen elektrischen Strom zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung (105), welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte in einer Umgebung des Ankers zu erfassen. Das elektromechanische Relais (100) umfasst einen Speicher (107), in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor (109), welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers auf der Basis der Referenzposition zu bestimmen.

Description

Elektromechanisches Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Messtechnik zur Erfassung und
Überwachung eines Betriebszustandes eines elektromechanischen Relais. Zur Erfassung und Überwachung eines Betriebszustandes eines elektromechanischen Relais sind verschiedene mechanische Kennwerte, beispielsweise ein Hub oder ein
Drehwinkel des Ankers, des elektromechanischen Relais von Bedeutung. Ferner sind Kontaktereignisse des elektromechanischen Relais, beispielsweise ein Öffnen und ein Schließen von Kontakten, bei bestimmten Positionen des Ankers von Interesse. Ferner kann hierdurch ein Abbrand der Kontakte des elektromechanischen Relais ermittelt werden.
Um die vorgenannten mechanischen Kennwerte des elektromechanischen Relais genau bestimmen zu können, ist eine zeitabhängige und/oder ortsabhängige Bestimmung der Position des Ankers des elektromagnetischen Relais von besonderer Bedeutung.
Typischerweise erfolgt eine Bestimmung der Position des Ankers am offenen Relais mit einer geeigneten mechanischen Messeinrichtung. Beispielsweise kann ein Kraftsensor mittels eines Linearantriebs mit einem Wegsensor verschoben werden, um eine Kraft-Weg- Kennlinie aufzunehmen. Hierfür ist jedoch ein geöffnetes Relais erforderlich, womit dieser Ansatz für den laufenden Betrieb des elektromechanischen Relais untauglich ist.
Weitere Ansätze zur Bestimmung der Position des Ankers, welche beispielsweise
Lichtschranken oder optische Sensoren zum Erfassen einer Veränderung der Position des Ankers einsetzen, sind zwar berührungslos, erfordern jedoch üblicherweise Veränderungen im Aufbau des elektromechanischen Relais, welche teilweise starken Einfluss auf die
Funktionskennwerte des elektromechanischen Relais haben. Beispielsweise kann hierfür zusätzlicher Bauraum im Inneren des elektromechanischen Relais vorgesehen sein. Zudem können Funktionseinschränkungen durch Verschmutzung, beispielsweise durch
Kontaktabbrand, verursacht werden. Derartige Ansätze haben sich daher nicht durchgesetzt.
Ferner können magnetische Sensoren zur Bestimmung einer Position des Ankers verwendet werden. Diese Ansätze sind jedoch ausschließlich geeignet, eine jeweilige Endposition des Ankers zu erfassen, und können die erforderliche Auflösung zur Bestimmung von
Zwischenpositionen des Ankers, beispielsweise bei Kontaktereignissen, nicht erreichen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Konzept zum
Bestimmen einer Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnungen.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch ein
elektromechanisches Relais gelöst werden kann, welches einen Speicher mit einem vorbestimmten Kennlinienfeld umfasst, welches unter Verwendung eines Metamodells vorab bestimmt werden kann. Das Metamodell berücksichtigt dabei insbesondere einen
elektrischen Strom durch eine Erregerspule des elektromechanischen Relais, eine magnetische Flussdichte eines magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers sowie eine Referenzposition des Ankers und setzt diese zueinander in Beziehung. Das vorbestimmte Kennlinienfeld kann insbesondere eine Zuordnung eines Wertepaares aus einem elektrischen Referenzstrom und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigen. Durch eine Erfassung eines Stromes durch die Erregerspule und eine Erfassung einer magnetischen Flussdichte eines magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers kann folglich unter Verwendung der vorgenannten Zuordnung die Position des Ankers zu jedem Zeitpunkt genau bestimmt werden. Dabei werden sämtliche elektrische, magnetische und mechanische Einflussfaktoren und
Rückwirkungen in dem elektromechanischen Relais berücksichtigt. Insbesondere wird dabei berücksichtigt, dass das magnetische Feld in der Umgebung des Ankers von der Position des Ankers abhängt und bei unterschiedlicher Erregung unterschiedliche magnetische Streuflüsse am Anker erzeugt werden.
Folglich kann eine genaue und berührungslose Bestimmung der Position des Ankers des elektromechanischen Relais unter beliebigen Betriebsbedingungen erreicht werden. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein elektromechanisches Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais zu schließen. Das elektromechanische Relais umfasst eine Erregerspule, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. Das elektromechanische Relais umfasst ferner eine
Stromerfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers zu erfassen. Das elektromechanische Relais umfasst zudem einen Speicher, in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte
Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers auf der Basis der
Referenzposition des Ankers zu bestimmen.
Die zumindest eine Zuordnung bildet folglich ein Wertepaar umfassend einen elektrischen Referenzstrom und eine magnetische Referenzflussdichte auf eine Referenzposition des Ankers ab. Das vorbestimmte Kennlinienfeld kann eine Mehrzahl derartiger Zuordnungen anzeigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet, eine weitere magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers zu erfassen, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes, einer magnetischen Referenzflussdichte und einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und wobei der Prozessor ausgebildet ist, die erfasste weitere magnetische Flussdichte mit der weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen.
Die zumindest eine Zuordnung bildet folglich ein Wertetripel umfassend einen elektrischen Referenzstrom, eine magnetische Referenzflussdichte und eine weitere magnetische
Referenzflussdichte auf eine Referenzposition des Ankers ab. Das vorbestimmte
Kennlinienfeld kann eine Mehrzahl derartiger Zuordnungen anzeigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der magnetischen Flussdichte eine Magnetfeldrichtung zugeordnet, wobei der weiteren magnetischen Flussdichte eine weitere Magnetfeldrichtung zugeordnet ist, und wobei die Magnetfeldrichtung und die weitere Magnetfeldrichtung rechtwinklig zueinander sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Magnetfelderfassungseinrichtung einen
Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte und die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Magnetfelderfassungseinrichtung einen
Magnetfeldsensor und einen weiteren Magnetfeldsensor, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte zu erfassen, und wobei der weitere
Magnetfeldsensor ausgebildet ist, die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform sind der Magnetfeldsensor und der weitere Magnetfeldsensor an gegenüberliegenden Seiten des Ankers angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet, die zumindest eine magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Anker und einer Innenfläche des elektromechanischen Relais zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Magnetfelderfassungseinrichtung ausgebildet, die weitere magnetische Flussdichte in einem weiteren Luftspalt zwischen dem Anker und einer weiteren Innenfläche des elektromechanischen Relais zu erfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektromechanische Relais eine
Kunststofffläche, welche in der Umgebung des Ankers angeordnet ist, wobei die
Magnetfelderfassungseinrichtung an der Kunststofffläche angeordnet ist. Durch die
Kunststofffläche wird eine Beeinflussung des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers reduziert bzw. vermieden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das elektromechanische Relais eine
Kommunikationsschnittstelle, welche ausgebildet ist, das vorbestimmte Kennlinienfeld von einer Kalibrierungsvorrichtung zu empfangen, und das vorbestimmte Kennlinienfeld in dem Speicher abzulegen. Mittels der Kalibrierungsvorrichtung kann während der Herstellung des elektromechanischen Relais eine Kalibrierung des elektromechanischen Relais erfolgen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann das vorbestimmte Kennlinienfeld bestimmen und bereitstellen. Gemäß einer Ausführungsform ist das vorbestimmte Kennlinienfeld in Form einer Lookup- Tabelle in dem Speicher gespeichert.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessor ausgebildet, das vorbestimmte
Kennlinienfeld zu interpolieren. Die Interpolation kann insbesondere unter Verwendung der zumindest einen Zuordnung durchgeführt werden, welche durch das vorbestimmte
Kennlinienfeld angezeigt wird. Gemäß einer Ausführungsform ist der Anker ein Wippanker. Das elektromechanische Relais kann folglich ein elektromechanisches Wippankerrelais sein.
Gemäß einer Ausführungsform repräsentiert die Position des Ankers eine Auslenkung eines Referenzpunktes des Ankers. Der Referenzpunkt des Ankers kann sich beispielsweise an einem Ende des Ankers befinden.
Gemäß einer Ausführungsform repräsentiert die Position des Ankers einen Drehwinkel des Ankers um einen Referenzpunkt des Ankers. Der Referenzpunkt des Ankers kann sich beispielsweise in der Mitte des Ankers befinden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessor ausgebildet, einen Überhub des Ankers auf der Basis der Position des Ankers und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen. Der vorbestimmte Übersetzungsfaktor von der Anordnung des Ankers in dem elektromechanischen Relais abhängig sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessor ausgebildet, einen Kontaktabstand des Ankers auf der Basis der Position des Ankers und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen. Der vorbestimmte Übersetzungsfaktor von der Anordnung des Ankers in dem elektromechanischen Relais abhängig sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais zu schließen. Das elektromechanische Relais umfasst eine Erregerspule, eine Stromerfassungseinrichtung, eine
Magnetfelderfassungseinrichtung, einen Speicher und einen Prozessor. Die Erregerspule ist ausgebildet, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. In dem Speicher ist ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert, wobei das vorbestimmte
Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt. Das Verfahren umfasst ein Erfassen des elektrischen Stromes durch die Erregerspule durch die Stromerfassungseinrichtung, ein Erfassen zumindest einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers durch die
Magnetfelderfassungseinrichtung, ein Vergleichen des erfassten elektrischen Stromes mit dem elektrischen Referenzstrom durch den Prozessor, ein Vergleichen der erfassten magnetischen Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte durch den Prozessor, und ein Bestimmen der Position des Ankers auf der Basis der Referenzposition des Ankers durch den Prozessor.
Das Verfahren kann durch das elektromechanische Relais durchgeführt werden. Weitere Merkmale des Verfahrens resultieren unmittelbar aus den Merkmalen oder der Funktionalität des elektromechanischen Relais.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Computerprogramm mit einem
Programmcode zum Ausführen des Verfahrens. Das elektromechanische Relais kann programmtechnisch eingerichtet sein, um das Computerprogramm auszuführen.
Die Erfindung kann in Hardware und/oder Software realisiert werden.
Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers; Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais;
Fig. 3a ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 3b ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 4a ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule;
Fig. 4b ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule; Fig. 4c ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule; Fig. 4d ein schematisches Diagramm einer magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule;
Fig. 4e ein schematisches Diagramm eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule in Abhängigkeit der Zeit;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais zum Bestimmen einer Position eines Ankers;
Fig. 6a ein schematisches Diagramm einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule und einer magnetischen Flussdichte;
Fig. 6b ein schematisches Diagramm einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule und einer magnetischen Flussdichte; und
Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer Bestimmung einer Position eines Ankers in
Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule, einer
magnetischen Flussdichte und einer weiteren magnetischen Flussdichte.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais 100 zum Bestimmen einer Position eines Ankers, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais 100 zu schließen.
Das elektromechanische Relais 100 umfasst eine Erregerspule 101 , welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule 101 zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. Das
elektromechanische Relais 100 umfasst ferner eine Stromerfassungseinrichtung 103, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule 101 zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung 105, welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers zu erfassen. Das elektromechanische Relais 100 umfasst zudem einen Speicher 107, in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor 109, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers auf der Basis der
Referenzposition des Ankers zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen einer Position eines Ankers eines elektromechanischen Relais, wobei der Anker ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais zu schließen. Das elektromechanische Relais umfasst eine Erregerspule, eine Stromerfassungseinrichtung, eine
Magnetfelderfassungseinrichtung, einen Speicher und einen Prozessor. Die Erregerspule ist ausgebildet, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. In dem Speicher ist ein vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert, wobei das vorbestimmte
Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers anzeigt. Das Verfahren 200 umfasst ein Erfassen 201 des elektrischen Stromes durch die
Erregerspule durch die Stromerfassungseinrichtung, ein Erfassen 203 zumindest einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers durch die Magnetfelderfassungseinrichtung, ein Vergleichen 205 des erfassten elektrischen Stromes mit dem elektrischen Referenzstrom durch den Prozessor, ein Vergleichen 207 der erfassten magnetischen Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte durch den Prozessor, und ein Bestimmen 209 der Position des Ankers auf der Basis der
Referenzposition des Ankers durch den Prozessor.
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen jeweils ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais 100 zum Bestimmen einer Position eines Ankers 301. In Fig. 3a befindet sich der Anker 301 in einer ersten Endposition und in Fig. 3b befindet sich der Anker 301 in einer zweiten Endposition. Der Anker 301 ist ausgebildet, einen Stromkreis, insbesondere einen Laststromkreis, des elektromechanischen Relais 100 zu öffnen und zu schließen. Der Anker 301 ist exemplarisch als Wippanker ausgebildet.
Das elektromechanische Relais 100 umfasst eine Erregerspule, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker erstreckt. Das
elektromechanische Relais 100 umfasst ferner eine Stromerfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers 301 zu erfassen. Das elektromechanische Relais 100 umfasst zudem einen Speicher, in welchem ein
vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers 301 anzeigt, und einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen
Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers 301 auf der Basis der Referenzposition des Ankers 301 zu bestimmen. Die magnetische Flussdichte kann beispielsweise in bzw. in der Nähe eines Luftspaltes („Luftspalt 1 ") oder in bzw. in der Nähe eines weiteren Luftspaltes („Luftspalt 2") erfasst werden, wobei der Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer Innenfläche des
elektromechanischen Relais 100 angeordnet ist, und wobei der weitere Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer weiteren Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt es, dass bei verschiedenen Positionen des Ankers 301 und verschiedenen elektrischen Strömen durch die Erregerspule die Stärke und gegebenenfalls die Richtung des magnetischen Flusses an zumindest einer Stelle in dem elektromechanischen Relais 100 erfasst und/oder berechnet werden.
Fig. 4a bis Fig. 4d zeigen jeweils ein schematisches Diagramm einer magnetischen
Flussdichte in Abhängigkeit einer Position eines Ankers und eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule. Die Position des Ankers entspricht exemplarisch einem Drehwinkel des Ankers um einen Referenzpunkt in der Mitte des Ankers. Fig. 4a zeigt die magnetische Flussdichte in x-Richtung an einer ersten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 4b zeigt die magnetische Flussdichte in x-Richtung an einer zweiten Stelle in dem
elektromechanischen Relais. Fig. 4c zeigt die magnetische Flussdichte in z-Richtung an der ersten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 4d zeigt die magnetische Flussdichte in z-Richtung an der zweiten Stelle in dem elektromechanischen Relais. Die magnetische Flussdichte wird jeweils unter Verwendung einer Regression bestimmt.
Anhand der Fig. 4a bis Fig. 4d ist ersichtlich, dass eine alleinige Berücksichtigung einer magnetischen Flussdichte oder eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zur Bestimmung der Position des Ankers üblicherweise nicht hinreichend ist. Die
Zusammenhänge und Rückwirkungen sind typischerweise nichtlinear und vom unbekannten Drehwinkel bzw. der unbekannten Position des Ankers sowie vom zeit- und
positionsabhängig veränderlichen Strom durch die Erregerspule abhängig.
Fig. 4e zeigt ein schematisches Diagramm eines elektrischen Stromes durch eine
Erregerspule in Abhängigkeit der Zeit während eines Einschaltvorganges des
elektromechanischen Relais. Insbesondere ist der Einfluss der elektrischen, mechanischen und magnetischen Rückwirkung dargestellt. Eine erste Rückwirkung wird durch ein
Schließen eines ersten Kontaktes verursacht. Eine zweite Rückwirkung wird durch den Ankeraufschlag verursacht. Der anschließende Stromanstieg wird durch die elektrische Zeitkonstante tau = L / R bestimmt.
Da sich neben der Bewegung des Ankers der elektrische Strom durch die Erregerspule auch während des Einschaltvorganges stark in Abhängigkeit von den Ansteuerbedingungen und von der Gegeninduktion des Ankers verändert, ist die Korrelation zwischen den beteiligten Größen zeitabhängig komplex und mit einfachen Algorithmen üblicherweise nicht hinreichend genau beschreibbar.
Die Korrelation zwischen dem elektrischen Strom durch die Erregerspule bzw. der Erregung und der Position des Ankers zu der (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen Flussdichte Bx und Bz kann hoch sein und bei nahezu 100% liegen (siehe auch Fig. 4a bis Fig. 4d). Demzufolge kann eine entsprechende Korrelationsfunktion auch umgestellt werden und die Position des Ankers in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom durch die
Erregerspule bzw. der Erregung und der magnetischen Flussdichte Bx, Bz und/oder By dargestellt werden. Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines elektromechanischen Relais 100 zum Bestimmen einer Position eines Ankers 301 . Der Anker 301 ist ausgebildet, einen
Stromkreis, insbesondere einen Laststromkreis, des elektromechanischen Relais 100 zu öffnen und zu schließen. Der Anker 301 ist exemplarisch als Wippanker ausgebildet. Das elektromechanische Relais 100 umfasst eine Erregerspule, welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker 301 erstreckt. Das
elektromechanische Relais 100 umfasst ferner eine Stromerfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule zu erfassen, und eine Magnetfelderfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers 301 und eine weitere magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers 301 zu erfassen. Das elektromechanische Relais 100 umfasst zudem einen Speicher, in welchem ein
vorbestimmtes Kennlinienfeld gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes, einer magnetischen
Referenzflussdichte und einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu einer
Referenzposition des Ankers anzeigt, und einen Prozessor, welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, die erfasste weitere magnetische Flussdichte mit der weiteren magnetischen
Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers 301 auf der Basis der Referenzposition des Ankers 301 zu bestimmen.
Die zumindest eine Zuordnung bildet folglich ein Wertetripel umfassend einen elektrischen Referenzstrom, eine magnetische Referenzflussdichte und eine weitere magnetische Referenzflussdichte auf eine Referenzposition des Ankers ab. Das vorbestimmte
Kennlinienfeld kann eine Mehrzahl derartiger Zuordnungen anzeigen. Der Prozessor kann ausgebildet sein, das vorbestimmte Kennlinienfeld zu interpolieren.
Der magnetischen Flussdichte ist eine Magnetfeldrichtung zugeordnet, wobei der weiteren magnetischen Flussdichte eine weitere Magnetfeldrichtung zugeordnet ist. Die
Magnetfeldrichtung und die weitere Magnetfeldrichtung können rechtwinklig zueinander sein. Beispielsweise kann die Magnetfeldrichtung entlang einer x-Achse eines
Koordinatensystems verlaufen und kann die weitere Magnetfeldrichtung entlang einer z- Achse des Koordinatensystems verlaufen. Die magnetische Flussdichte und die weitere magnetische Flussdichte können folglich richtungsabhängig erfasst werden.
Die Magnetfelderfassungseinrichtung umfasst einen Magnetfeldsensor 501 und einen weiteren Magnetfeldsensor 503, wobei der Magnetfeldsensor 501 ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte zu erfassen, und wobei der weitere Magnetfeldsensor 503 ausgebildet ist, die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen. Alternativ kann die
Magnetfelderfassungseinrichtung lediglich einen Magnetfeldsensor 501 , 503 umfassen, wobei der Magnetfeldsensor 501 , 503 ausgebildet ist, sowohl die magnetische Flussdichte als auch die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
Die Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere der Magnetfeldsensor 501 , ist ausgebildet, die magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 zu erfassen. Die Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere der weitere Magnetfeldsensor 503, ist ausgebildet, die weitere magnetische Flussdichte in einem weiteren Luftspalt zwischen dem Anker 301 und einer weiteren Innenfläche des elektromechanischen Relais 100 zu erfassen.
Das elektromechanische Relais 100 kann eine Kunststofffläche umfassen, welche in der Umgebung des Ankers 301 angeordnet ist, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere der Magnetfeldsensor 501 und/oder der weitere Magnetfeldsensor 503, an der Kunststofffläche angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 501 und der weitere
Magnetfeldsensor 503 sind an gegenüberliegenden Seiten des Ankers angeordnet. Durch das erfindungsgemäße Konzept ist es möglich, mittels zeitabhängiger Erfassung bzw. Messung des elektrischen Stromes durch die Erregerspule und ebenfalls zeitabhängiger Erfassung bzw. Messung der (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen
Flussdichte Bx, Bz, und/oder By an zumindest einer markanten Stelle im elektromechanischen Relais 100, die Position des Ankers 301 zu beliebigen Zeitpunkten, auch während einer Bewegung des Ankers 301 und unter beliebigen Erregungsbedingungen mit veränderlichem Strom, zu bestimmen. Die Anwendung bei einem elektromechanischen Relais 100 mit einem Wippanker als Anker 301 kann besonders vorteilhaft sein, da an den beiden
gegenüberliegenden Luftspalten jeweils entgegengesetzte magnetische Flussrichtungen in x-Richtung mit antivalenter Stärke der magnetischen Flussdichte bei verschiedenen
Positionen des Ankers vorliegen (siehe auch Fig. 3a und Fig. 3b).
Basierend auf dem elektromechanischen Relais 100 aus Fig. 5 können die in Fig. 4a bis Fig. 4d gezeigten Größen mathematisch umgestellt werden. Hieraus ergibt sich beispielsweise der mathematische Zusammenhang:
AW = f(Bx(n); Bz(n); lSpUie) oder APos = f(Bx(n); Bz(n); lSpUie) wobei AW die Position des Ankers in Form eines Drehwinkels des Ankers (Ankerwinkel, AW), APos die Position des Ankers in Form einer Auslenkung des Ankers, Bx die
magnetische Flussdichte in x-Richtung, Bz die weitere magnetische Flussdichte in z- Richtung, n einen Index, und lS Uie den Strom durch die Erregerspule bzw. die Erregung repräsentiert.
Die mit der Magnetfelderfassungseinrichtung, insbesondere den Sensoren 501 , 503, erfassten Größen der (gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen Flussdichte Bx, Bz und/oder By werden mit dem erfassten elektrischen Strom durch die Erregerspule mittels des vorbestimmten Kennlinienfeldes, in welchem die Korrelationen dieser Größen abgebildet ist, ausgewertet. Als Ergebnis erhält man die zeitabhängige Position bzw. den Drehwinkel des Ankers 301 . Diese Korrelationen sind beispielhaft in Fig. 6a und Fig. 6b dargestellt.
Während des Betriebes des elektromechanischen Relais 100, auch während des
Einschaltens und Ausschaltens, können der Strom durch die Erregerspule und die
(gegebenenfalls richtungsabhängigen) magnetischen Flussdichten beispielsweise in der Nähe des Luftspaltes oder des weiteren Luftspaltes erfasst werden. Diese drei Messwerte werden mittels des vorbestimmten Kennlinienfeldes einer zugehörigen Position des Ankers 301 zugeordnet. Mit dieser Information kann nunmehr im laufenden Betrieb und ohne direkten mechanischen oder optischen Zugang zum elektromechanischen Relais 100 die Position des Ankers bestimmten Ereignissen an dem elektromechanischen Relais 100 zugeordnet werden. Diese Zuordnungen können beispielsweise auch die folgenden
Parameter betreffen: Überhub = Übersetzungsfaktor * (Position des Ankers 301 zum Zeitpunkt Kontakt schließt - Endposition Anker 301 )
Kontaktabstand = Übersetzungsfaktor * (Position des Ankers 301 zum Zeitpunkt Kontakt 1 schließt - Position des Ankers 301 zum Zeitpunkt Kontakt 2 schließt)
Unter Verwendung des Metamodells kann eine aktuelle Position des Ankers 301 mit einer Referenzposition des Ankers 301 im Metamodell abgeglichen werden und somit eine weitere Verbesserung der Prognose des Systemverhaltens erreicht werden. Fig. 6a und Fig. 6b zeigen jeweils ein schematisches Diagramm einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule und einer magnetischen Flussdichte. Die Position des Ankers entspricht exemplarisch einem Drehwinkel des Ankers um einen Referenzpunkt in der Mitte des Ankers. Fig. 6a betrifft die magnetische Flussdichte in x-Richtung an einer Stelle in dem elektromechanischen Relais. Fig. 6b betrifft die magnetische Flussdichte in z-Richtung an der Stelle in dem elektromechanischen Relais.
Die Position des Ankers ist in Form eines Oberflächendiagramms in Abhängigkeit des elektrischen Stromes durch die Erregerspule und der magnetischen Flussdichte dargestellt, wobei das Oberflächendiagramm ein vorbestimmtes Kennlinienfeld 601 repräsentieren kann. In dem vorbestimmten Kennlinienfeld 601 werden der elektrische Strom als elektrischer Referenzstrom, die magnetische Flussdichte als magnetische Referenzflussdichte, die weitere magnetische Flussdichte als weitere magnetische Referenzflussdichte und die Position des Ankers als Referenzposition des Ankers bezeichnet. Fig. 7 zeigt ein schematisches Diagramm einer Bestimmung einer Position eines Ankers in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch eine Erregerspule, einer magnetischen Flussdichte und einer weiteren magnetischen Flussdichte.
Der elektrische Strom durch die Erregerspule („Spulenstrom"), die magnetische Flussdichte („Flussdichte Bz") und die weitere magnetische Flussdichte („Flussdichte Bx") werden zunächst erfasst. Der elektrische Strom durch die Erregerspule kann ein eine elektrische Erregung umgerechnet werden. Der elektrische Strom durch die Erregerspule bzw. die Erregung wird mit einem elektrischen Referenzstrom verglichen, die magnetische
Flussdichte wird mit einer magnetischen Referenzflussdichte verglichen, und die weitere magnetische Flussdichte wird mit einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte verglichen, wobei ein vorbestimmtes Kennlinienfeld 601 den elektrischen Referenzstrom, die magnetische Referenzflussdichte und die weitere magnetische Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers in Beziehung setzt. Die Position des Ankers wird folglich auf der Basis der Referenzposition des Ankers bestimmt. Das vorbestimmte Kennlinienfeld 601 kann vorab unter Verwendung eines cyberphysikalischen Metamodells bestimmt werden.
Der funktionale Zusammenhang kann mathematisch folgendermaßen ausgedrückt werden:
AW = f(Bx(n); Bz(n); lSpute) wobei AW die Position des Ankers in Form eines Drehwinkels des Ankers (Ankerwinkel, AW), Bx die magnetische Flussdichte in x-Richtung, Bz die weitere magnetische Flussdichte in z-Richtung, n einen Index, und lS Uie den Strom durch die Erregerspule bzw. die Erregung repräsentiert.
Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen gezeigten oder beschriebenen Merkmale können in beliebiger Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren. BEZUGSZEICHENLISTE
100 Elektromechanisches Relais
101 Erregerspule
103 Stromerfassungseinrichtung
105 Magnetfelderfassungseinrichtung
107 Speicher
109 Prozessor
200 Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Ankers
201 Erfassen des elektrischen Stromes durch die Erregerspule 203 Erfassen zumindest einer magnetischen Flussdichte
205 Vergleichen des erfassten elektrischen Stromes
207 Vergleichen der erfassten magnetischen Flussdichte
209 Bestimmen der Position des Ankers
301 Anker
501 Magnetfeldsensor
503 Weiterer Magnetfeldsensor
601 Kennlinienfeld

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Elektromechanisches Relais (100) zum Bestimmen einer Position eines Ankers (301 ), wobei der Anker (301 ) ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais (100) zu schließen, mit: einer Erregerspule (101 ), welche ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule (101 ) zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker (301 ) erstreckt; einer Stromerfassungseinrichtung (103), welche ausgebildet ist, den elektrischen Strom durch die Erregerspule (101 ) zu erfassen; eine Magnetfelderfassungseinrichtung (105), welche ausgebildet ist, zumindest eine magnetische Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers (301 ) zu erfassen; einem Speicher (107), in welchem ein vorbestimmtes Kennlinienfeld (601 ) gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld (601 ) zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers (301 ) anzeigt; und einem Prozessor (109), welcher ausgebildet ist, den erfassten elektrischen Strom mit dem elektrischen Referenzstrom zu vergleichen, die erfasste magnetische Flussdichte mit der magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen, und die Position des Ankers (301 ) auf der Basis der Referenzposition des Ankers (301 ) zu bestimmen.
2. Elektromechanisches Relais (100) nach Anspruch 1 , wobei die
Magnetfelderfassungseinrichtung (105) ausgebildet ist, eine weitere magnetische
Flussdichte des magnetischen Feldes in der Umgebung des Ankers (301 ) zu erfassen, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld (601 ) zumindest eine Zuordnung eines elektrischen
Referenzstromes, einer magnetischen Referenzflussdichte und einer weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers (301 ) anzeigt, und wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, die erfasste weitere magnetische Flussdichte mit der weiteren magnetischen Referenzflussdichte zu vergleichen.
3. Elektromechanisches Relais (100) nach Anspruch 2, wobei der magnetischen Flussdichte eine Magnetfeldrichtung zugeordnet ist, wobei der weiteren magnetischen Flussdichte eine weitere Magnetfeldrichtung zugeordnet ist, und wobei die
Magnetfeldrichtung und die weitere Magnetfeldrichtung rechtwinklig zueinander sind.
4. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) einen Magnetfeldsensor (501 , 503) umfasst, wobei der Magnetfeldsensor (501 , 503) ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte und die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
5. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) einen Magnetfeldsensor (501 ) und einen weiteren Magnetfeldsensor (503) umfasst, wobei der Magnetfeldsensor (501 ) ausgebildet ist, die magnetische Flussdichte zu erfassen, und wobei der weitere Magnetfeldsensor (503) ausgebildet ist, die weitere magnetische Flussdichte zu erfassen.
6. Elektromechanisches Relais (100) nach Anspruch 5, wobei der Magnetfeldsensor (501 ) und der weitere Magnetfeldsensor (503) an gegenüberliegenden Seiten des Ankers (301 ) angeordnet sind.
7. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) ausgebildet ist, die zumindest eine magnetische Flussdichte in einem Luftspalt zwischen dem Anker (301 ) und einer Innenfläche des elektromechanischen Relais (100) zu erfassen.
8. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektromechanische Relais (100) eine Kunststofffläche umfasst, welche in der
Umgebung des Ankers (301 ) angeordnet ist, wobei die Magnetfelderfassungseinrichtung (105) an der Kunststofffläche angeordnet ist.
9. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektromechanische Relais (100) eine Kommunikationsschnittstelle umfasst, welche ausgebildet ist, das vorbestimmte Kennlinienfeld (601 ) von einer Kalibrierungsvorrichtung zu empfangen, und das vorbestimmte Kennlinienfeld (601 ) in dem Speicher (107) abzulegen.
10. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, das vorbestimmte Kennlinienfeld (601 ) zu interpolieren.
1 1 . Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anker (301 ) ein Wippanker ist.
12. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Position des Ankers (301 ) eine Auslenkung eines Referenzpunktes des Ankers (301 ) repräsentiert, oder wobei die Position des Ankers (301 ) einen Drehwinkel des Ankers (301 ) um einen Referenzpunkt des Ankers (301 ) repräsentiert.
13. Elektromechanisches Relais (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, einen Überhub des Ankers (301 ) auf der Basis der
Position des Ankers (301 ) und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen, oder wobei der Prozessor (109) ausgebildet ist, einen Kontaktabstand des Ankers (301 ) auf der Basis der Position des Ankers (301 ) und eines vorbestimmten Übersetzungsfaktors zu bestimmen.
14. Verfahren (200) zum Bestimmen einer Position eines Ankers (301 ) eines
elektromechanischen Relais (100), wobei der Anker (301 ) ausgebildet ist, einen Stromkreis des elektromechanischen Relais (100) zu schließen, wobei das elektromechanische Relais (100) eine Erregerspule (101 ), eine Stromerfassungseinrichtung (103), eine
Magnetfelderfassungseinrichtung (105), einen Speicher (107) und einen Prozessor (109) umfasst, wobei die Erregerspule (101 ) ausgebildet ist, ein magnetisches Feld in
Abhängigkeit eines elektrischen Stromes durch die Erregerspule (101 ) zu erzeugen, wobei sich das magnetische Feld auf den Anker (301 ) erstreckt, wobei in dem Speicher (107) ein vorbestimmtes Kennlinienfeld (601 ) gespeichert ist, wobei das vorbestimmte Kennlinienfeld (601 ) zumindest eine Zuordnung eines elektrischen Referenzstromes und einer
magnetischen Referenzflussdichte zu einer Referenzposition des Ankers (301 ) anzeigt, mit:
Erfassen (201 ) des elektrischen Stromes durch die Erregerspule (101 ) durch die
Stromerfassungseinrichtung (103);
Erfassen (203) zumindest einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Feldes in einer Umgebung des Ankers (301 ) durch die Magnetfelderfassungseinrichtung (105);
Vergleichen (205) des erfassten elektrischen Stromes mit dem elektrischen Referenzstrom durch den Prozessor (109); Vergleichen (207) der erfassten magnetischen Flussdichte mit der magnetischen
Referenzflussdichte durch den Prozessor (109); und
Bestimmen (209) der Position des Ankers (301 ) auf der Basis der Referenzposition des Ankers (301 ) durch den Prozessor (109).
15. Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens (200) nach Anspruch 14.
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