DE19609608A1 - Verfahren zur Ermittlung der durch den magnetischen Fluß in einem Schaltrelais in einem Hallsensorelement erzeugten Hallspannung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Ermittlung der durch den magnetischen Fluß in einem Schaltrelais in einem Hallsensorelement erzeugten Hallspannung nach der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung aus.

Aus der DE 41 29 265 A1 ist ein elektromagnetisches Schalt­ gerät mit einem Klappankermagnetkern bekannt, bei dem der Magnetkern mit einem Magnetflußsensor zur Ermittlung einer dem magnetischen Fluß proportionalen Größe verbunden ist. Als Magnetflußsensor wird ein Hallsensorelement verwandt, das außen an dem Magnetkern angebracht ist und das um den Magnetkern herum existierende Streufeld registriert. Im ge­ öffneten Zustand ist der Anker durch einen Luftspalt vom Ma­ gnetkern getrennt. Zum Schließen des Schaltgerätes wird der Erregerspule eine entsprechend große Leistung durch eine Er­ höhung der Spulenspannung zugeführt. Der Anker wird nun durch das magnetische Feld in Richtung des Magnetkerns ange­ zogen bis er auf dem Magnetkern aufliegt. Durch diese Anker­ bewegung wird der magnetische Widerstand des Magnetkreises und damit der magnetische Fluß verändert. Die Änderung des magnetischen Flusses wird durch eine in einem Hallsensorele­ ment durch das magnetische Streufeld hervorgerufene Hall­ spannung ermittelt, die proportional zum magnetischen Fluß ist. Diese Hallspannung wird als Eingangsgröße mit einer elektronischen Regeleinrichtung verbunden. Über die Regel­ einrichtung wird die der Erregerspule zugeführte Spannung kontinuierlich geregelt und die Verlustleistung reduziert. Das bekannte Verfahren wird zur Regelung der Spulenspannung eines Schaltgerätes benutzt, wobei das Hallsensorelement im­ mer mit dem Magnetkern des Schaltgerätes fest verbunden ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß bei einem elektromagnetischen Relais, welches eine aus zwei Festkon­ takten und einem beweglichen Kontakt bestehende Kontaktein­ richtung aufweist, die Anker-Anzugsspannung und die Anker- Durchzugsspannung exakt gemessen werden können. Die Anker- Anzugsspannung ist der Spannungswert der Spulenspannung, bei welchem ein mit dem Anker des Relais über ein Kontaktfeder­ blatt verbundener beweglicher Kontakt einen Festkontakt im geschlossenen Zustand des Schaltrelais kontaktiert, während die Anker-Durchzugsspannung der Wert der Spulenspannung ist, bei dem der Anker den Magnetkern der Spule unter Bildung ei­ nes geschlossenen Magnetkreises berührt. Da beide Spannungs­ werte die Schaltdynamik und den Arbeitsbereich des jeweili­ gen Relaistyps kennzeichnen, ist ihre genaue Kenntnis zur exakten Ansteuerung eines Relais unerläßlich. So ist es zum Beispiel bei einer genauen Kenntnis der Anker-Anzugsspannung möglich, die Spulenspannung so auszusteuern, daß ihr Wert im geöffneten Zustand des Schaltrelais etwas niedriger als die Anker-Anzugsspannung ist. Bereits durch eine kleine Erhöhung der Spulenspannung kann nun das Relais in den geschlossenen Zustand geschaltet werden, wodurch sich die vom Relais benö­ tigte Umschaltzeit ganz erheblich verkürzt. Außerdem ist si­ chergestellt, daß ein versehentliches Abheben des Ankers und eine damit verbundene Unterbrechung des elektrischen Kontak­ tes nicht möglich ist, da entweder die Spule so ausgelegt werden kann, oder die Spulenspannung im geschlossenen Zu­ stand des Relais so ausgesteuert werden kann, daß die Spu­ lenspannung immer über dem gemessenen Wert für die Anker- Anzugsspannung liegt.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß mit dem Hallsensorelement ein berührungsloses Messen der charakteristischen Kenngrößen des Relais möglich ist. Die Messung kann daher unabhängig vom Relaistyp mit der gleichen Meßvorrichtung nach demselben Verfahren durchge­ führt werden. Entscheidend dabei ist nur, daß der Hallsensor das magnetische Streufeld des Relais erfaßt. Eine verfäl­ schende Beeinflussung des Meßergebnisses durch fertigungs­ technische Größen ist daher ausgeschlossen. Vorteilhaft ist außerdem, daß das Meßverfahren eine große Reproduzierbarkeit aufweist, temperaturunabhängig ist und darüber hinaus si­ cher, schnell und einfach durchgeführt werden kann.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das Hallsensorelement 2, wie in den Unteransprüchen 3 und 4 dargestellt, über dem Anker in direkter Nähe zu dem Luftspalt, durch welchen im unbetä­ tigten Zustand des Relais 1 der Anker 3 vom Magneten 6 beab­ standet wird, und in Verlängerung der Achse des Magnetkerns positioniert wird, da hierdurch das Streufeld durch das Hallsensorelement besonders gut erfaßt wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Relais mit dem Hallsensor­ element,

Fig. 2 ein Meßdiagramm, in welchem die Spulenspannung und die davon abhängige Hallspannung in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen sind.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein elektromagnetisches Relais 1 in an sich bekannter Bauweise dargestellt. Das Relais 1 umfaßt einen mit einem im Durchmesser reduzierten Ansatz 13 versehenen Magnetkern 6, welcher von einer aus Spulendraht gewickelten Spule 7 umhüllt wird. Der Magnetkern 6 durchdringt die Spule 7 und ragt mit seinem dem Ansatz 13 gegenüberliegenden Ende 16 etwas über die Spule 7 hinaus. Der Magnetkern 6 ist mit einem L-förmigen Joch 4 verbunden, welches einen Schenkel 18 und einen von diesem rechtwinklig abgebogenen Schenkel 17 aufweist. Der Magnetkern 6 durchdringt mit dem Ansatz 13 ei­ ne in dem Schenkel 17 vorgesehene Öffnung und ist mit dem Schenkel 17 fest verbunden. Der andere Schenkel 18 weist an seinem dem Winkelbereich des Jochs 4 abgewandten Ende ein Widerlager 9 auf, an welchem ein Anker 3 schwenkbar gelagert ist. Der Anker 3 ist als Klappanker so konstruiert, daß er in Richtung des Magnetkerns 6 geschwenkt werden kann, bis er diesen mit seiner Unterseite 15 an dem dafür vorgesehenen Ende 16 des Magnetkerns 6 berührt. Um den Anker 3 im unbetä­ tigten Zustand des Relais vom Magnetkern 3 zu lösen, ist der Anker mit einer Feder 8 verbunden. Die Feder 8 ist mit ihrem einen Ende an einem Steg 27 des Ankers 3 und mit ihrem ande­ ren Ende an einem vom Joch 4 abstehenden Zapfen 28 befe­ stigt. An dem Ende des Ankers 4, welches dem Steg 27 gegen­ überliegt, ist ein dünnes Kontaktfederblech 5 aus einem ela­ stischen Material mit seinem einen Ende auf der Oberseite des Ankers 3 so angebracht, daß es den Anker 3 über dessen Ende hinaus in Richtung einer aus zwei Festkontakten 11 und 12 bestehenden Kontakteinrichtung verlängert. Am anderen En­ de des Kontaktfederblechs 5 ist ein Schaltkontakt 10 ange­ bracht, welcher mit dem Festkontakt 11 im unbetätigten Zu­ stand des Relais und mit dem weiteren Festkontakt 12 im be­ tätigten Zustand des Relais in elektrischen Kontakt gebracht wird. Die Festkonkakte 11 und 12 sind an einer aus einem Isolierstoff bestehenden Wand 19 befestigt, welche wiederum an dem Schenkel 17 des Jochs 4 befestigt ist. Die Isolier­ wand 19 weist mit den Festkontakten 11 und 12 verbundene An­ schlüsse 21 und 22, einen mit dem Schaltkontakt 10 elek­ trisch verbundenen Anschluß 20 sowie Anschlüsse 23 für die Erregerspule 7 auf.

Im unbetätigten Zustand löst die Feder 8 den Anker 3 vom En­ de 16 des Magnetkerns 6 bis der über das Kontaktfederblech 5 mit dem Anker 3 verbundene Schaltkontakt 10 gegen den Fest­ kontakt 11 gedrückt wird. In diesem Fall besteht zwischen den Anschlüssen 21 und 20 eine geschlossenen elektrische Verbindung. Wird nun an die Spule 7 eine Spannung angelegt, so wird in Abhängigkeit von der Größe der Spulenspannung der Anker 3 durch das magnetische Feld der Spule 7 in Richtung des Magnetkerns 6 gezogen, bis der Schaltkontakt 10 den Festkontakt 12 berührt und dadurch das Relais betätigt wird. In diesem Fall besteht zwischen den Anschlüssen 22 und 20 eine geschlossene elektrische Verbindung. Im betätigten Zu­ stand berührt der Anker 3 noch nicht den Magnetkern 6, son­ dern ist weiterhin durch einen nun kleineren Luftspalt von diesem beabstandet. Die Spulenspannung, die notwendig ist um den Schaltkontakt 10 mit dem Festkontakt 12 in Kontakt zu bringen, definiert die Anzugsspannung U_A des Relais. Wird nun die Spulenspannung über den Wert der Anzugsspannung U_A hinaus erhöht, so wird der Anker 3 weiter durch das magneti­ sche Feld der Spule 7 angezogen, wobei sich das Kontaktfe­ derblech 5 elastisch durchbiegt. Beim einem Wert der Spulen­ spannung, welcher der Durchzugsspannung U_D des Relais ent­ spricht, wird der Anker so weit in Richtung des Magnetkerns 6 geschwenkt, daß er diesen an dem Ende 16 berührt. Hier­ durch sinkt der magnetische Widerstand in dem über den Ma­ gnetkern 6, das Joch 4 und den Anker 3 geschlossenen Magnet­ kreis erheblich ab. Der in diesem Ausführungsbeispiel darge­ stellte Relaistyp ist nur ein spezieller von vielen bekann­ ten Relaiseinrichtungen, bei denen ein mit einem Kontaktfe­ derelement versehener Anker durch einen Magnetkern angezogen wird. Das im folgenden vorgestellte Meßverfahren ist deshalb keinesfalls auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann bei allen Relaiseinrichtungen, bei denen ein Anker durch das Magnetfeld einer Spule in Schließrichtung betätigt wird, angewandt werden.

Das Meßverfahren zur Bestimmung der spezifischen Kenngrößen der Anzugsspannung U_A und der Durchzugspannung U_D des Relais wird wie folgt durchgeführt. Zunächst wird ein Hallsensor­ element 2 in der Nähe des Relais so positioniert, daß das Hallsensorelement 2 von den magnetischen Feldlinien des durch die Magnetspule 7 erzeugten Streufeldes durchdrungen wird. Vorteilhafter Weise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, das Hallsensorelement 2 über dem Anker 3 in direkter Nähe zu dem Luftspalt, durch welchen im unbetätigten Zustand des Relais 1 der Anker 3 vom Magneten 6 beabstandet wird, und in Ver­ längerung der Achse des Magnetkerns 6 positioniert. Das Hallsensorelement 2 weist Anschlüsse 24 auf, an denen die Hallspannung abgegriffen werden kann. Die Anschlüsse 24 sind mit einem Bandpaßfilter und einer Auswerteelektronik verbun­ den, welche die genaue Messung der in dem Hallsensorelement erzeugten Hallspannung U_H ermöglichen. Die Anschlüsse 23 des Relais 1 sind mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden, durch welche die Erreger­ spule 7 mit einer Spulenspannung Q beaufschlagt wird. Zur Durchführung des Meßverfahrens wird die Spulenspannung U_S kontinuierlich ausgehend von 0V erhöht. Im unbetätigten Zu­ stand des Relais, also bei einer Spannung U_S von 0V, wird das mit dem Anker 3 verbundene Kontaktfederblatt 5 mit dem Schaltkontakt 10 gegen den Festkontakt 11 gedrückt. Eine kontinuierliche Erhöhung der Spulenspannung U_S bewirkt, daß das in dem Magnetkern 6 geführte Magnetfeld der Spule 7 und das durch den Hallsensor erfaßte Streufeld kontinuierlich ansteigen. Mit steigender Spulenspannung U_S steigt deshalb auch die zum Magnetfeld proportionale Hallspannung U_H an. Dieser Zusammenhang ist in dem Meßdiagramm 30, welches qua­ litativ in Fig. 2 dargestellt ist, erkennbar. In dem in Fig. 2 gezeigten Meßdiagramm 30 sind die Spulenspannung U_S und die Hallspannung U_H in Abhängigkeit von der Zeit aufgetra­ gen. Alternativ ist es auch möglich die Hallspannung direkt über der Spulenspannung in einem Meßdiagramm aufzutragen oder eine andere geeignete Auftragungsart zu wählen. In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm sind auf der Ordinate die Span­ nungswerte U von Spulenspannung U_S und Hallspannung U_H auf­ getragen und auf der Abszisse die Zeit t. Die Ordinatenwerte der Hallspannung sind dabei anders als die Werte für die Spulenspannung skaliert. In dem hiergezeigten Diagramm ist zum Beispiel die Steigerung der Hallspannung mit einem nega­ tiven Vorzeichen versehen. Es sind aber auch andere Auftra­ gungsarten möglich. Entscheidend ist, daß die sprunghafte Änderung der Hallspannung U_H möglichst gut in dem Diagramm erkennbar ist. Bei einem bestimmten Wert der Spulenspannung ist die durch das Magnetfeld auf den Anker 3 einwirkende Kraft nun größer als die Spannkraft der Feder 8. In diesem Moment wird der Anker 3 in Richtung des Magnetkerns 6 be­ wegt, bis der Schaltkontakt 10 den Festkontakt 12 berührt. Die sprunghafte Bewegung des Ankers 3 bewirkt eine plötzli­ che Verkleinerung des Luftspalts zwischen Anker 3 und Ma­ gnetkern 6 und damit eine plötzliche Veränderung des magne­ tischen Widerstandes und des magnetischen Flusses durch die Spule. Dies wiederum bedingt eine sprunghafte Änderung des Streufeldes und der Hallspannung U_H. Aus der sprunghaften Änderung der Hallspannung U_H kann im Meßdiagramm 30 die Spulenspannung genau ermittelt werden, welche zur Bewegung des Ankers 3 führt. Zu diesem Zweck wird aus dem Meßdiagramm 30 der Meßpunkt M1 abgelesen, bei welchem die sprunghafte Ände­ rung der Hallspannung auftritt. Aus der auf der Ordina­ tenachse abgetragenen Spannungskoordianate des Meßpunktes M1 ergibt sich dann der Wert der Spulenspannung, welcher der Anker-Anzugsspannung U_A entspricht. Bei einer weiteren Erhö­ hung der Spulenspannung über den Wert für die Anker-Anzugs­ spannung U_A hinaus, wird nun durch die magnetische Anzie­ hungskraft das Kontaktfederblech 5 elastisch durchgebogen, bis schließlich bei einem Wert der Spulenspannung, welcher der Anker-Anzugsspannung U_D entspricht, der Anker 3 mit sei­ ner Unterseite 15 das Ende 16 des Magnetkerns 6 berührt. In diesem Augenblick wird der Magnetkreis durch den Kern 6, das Joch 4 und den Anker 3 geschlossen, was ebenfalls einen zweiten sprunghaften Anstieg des Magnetfeldes bewirkt. Die­ ser zweite sprunghafte Anstieg führt wiederum zu einer wei­ teren sprunghaften Änderung der Hallspannung U_H im Meßdia­ gramm 30. Aus dem Ordiantenwert des zugehörigen Meßpunktes M2 kann die Anker-Anzugsspannung U_D genau abgelesen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ermittlung der durch den magnetischen Fluß in einem Schaltrelais (1) in einem Hallsensorelement (2) er­ zeugten Hallspannung, wobei das Schaltrelais (1) einen von einer Erregerspule (7) umhüllten Magnetkern (6) und einen mit dem Magnetkern (6) in Kontakt bringbaren Anker (3) um­ faßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (3) mit einem elastisch biegsamen Kontaktfederelement (5) verbunden ist, welches einen zwischen zwei Festkontakten (11,12) angeordne­ ten und mit den Festkontakten (11,12) in elektrischen Kon­ takt bringbaren Schaltkontakt (10) aufweist, und daß aus den von der Spulenspannung abhängigen Hallspannungswerten ein Meßdiagramm (30) erstellt wird, aus welchem eine in Abhän­ gigkeit von der Spulenspannung (U_S) durch eine die Magnet­ feldstruktur verändernde Bewegung des Ankers (3) auftreten­ de, sprunghafte Änderung der Hallspannung (U_H) ablesbar ist und zur Meßwertbestimmung von Anker-Anzugsspannung (U_A) und Anker-Durchzugsspannung (U_D) benutzt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltrelais (1) einen von einer Erregerspule (7) umhüllten Magnetkern (6) und ei­ nen mit einem elastisch biegsamen Kontaktfederelement (5), welches einen zwischen zwei Festkontakten (11,12) angeordne­ ten und mit den Festkontakten (11,12) in elektrischen Kon­ takt bringbaren Schaltkontakt (10) aufweist, verbundenen An­ ker (3) umfaßt, der nach einem ersten Ankerstellwert, bei welchem der Schaltkontakt (10) das Schaltrelais (1) betä­ tigt, bei einem zweiten Ankerstellwert mit dem Magnetkern (6) in Kontakt bringbar ist, und daß ein das magnetische Streufeld des Schaltrelais (1) erfassendes Hallsensorelement (2) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hallsensorelement (2) in direkter Nähe zum Luftspalt po­ sitioniert wird, durch welchen im unbetätigten Zustand des Relais (1) der Anker (3) vom Magnetkern (6) beabstandet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hallsensorelement (2) in Achsrichtung des Magnetkerns (6) dem Relais (1) und dem Anker (3) gegenüberliegend ange­ ordnet ist.