DE19712721A1

DE19712721A1 - Verfahren zum Betrieb einer Relaisanordnung

Info

Publication number: DE19712721A1
Application number: DE19712721A
Authority: DE
Inventors: Hans Dieter Dipl Ing Driendl
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-01
Also published as: EP0867905A3; US5953197A; EP0867905A2

Description

Relais werden in der Elektrotechnik zur Realisierung von Schaltvorgängen vielfältig eingesetzt insbesondere zur Ansteuerung von Lasten wie Moto ren, Lampen, Ventile etc. Übliche Relais bestehen aus einem magnetischen Kreis mit einer auf einen Kern aus magnetisch leitfähigem Material ge wickelten Magnetspule (Erregerspule), mit einem magnetischen Joch, und mit einem mittels einer Feder (bsp. einer Metallfeder) gehaltenen Anker und aus einem Kontaktsatz mit Kontakten (bsp. einem Arbeitskontakt, einem Wechselkontakt und einem Ruhekontakt) und mit Kontaktelementen. Das Schaltverhalten des Relais, d. h. der jeweilige Schaltzustand (insbesondere der ohne Erregung eingenommene Ruhezustand und der beim Erreichen der Ansprechschwelle eingenommene Arbeitszustand) wird durch die An steuerung der Erregerspule und deren Wirkung auf den Kontaktsatz gesteu ert: in Abhängigkeit von der Stromstärke des Erregerstroms durch die Erre gerspule wird im magnetischen Kreis ein Magnetfeld erzeugt, das eine Be wegung der Kontakte des Kontaktsatzes bewirkt, wodurch am Ausgang des Relais (bsp. zur Ansteuerung der dort angeschlossenen Last) ein bestimmtes Ausgangssignal (eine Wechselfunktion) generiert wird. Bsp ist beim erwähn ten Kontaktsatz mit den Kontakten Arbeitskontakt, Wechselkontakt und Ru hekontakt im Ruhezustand (kein Stromfluß in der Erregerspule) der Wechsel kontakt mit dem Ruhekontakt verbunden; durch einen (Erreger-)Strom in der Erregerspule (dieser bewirkt eine bestimmte Kraft auf den Anker) wird der Wechselkontakt vom Ruhekontakt wegbewegt und beim Überschreiten einer bestimmten Stromstärke des Erregerstroms (bei der Ansprechschwelle des Relais) der Wechselkontakt auf den Arbeitskontakt gezogen.

Zur Realisierung von Umpolfunktionen - hier soll das Ausgangssignal Polari tätswechsel aufweisen (was bei vielen Anwendungsfällen, bsp. bei Motorum polungen erforderlich ist), können Relaisanordnungen aus zwei miteinander verschalteten Relais mit Wechselfunktion eingesetzt werden. Zur konstrukti ven Vereinfachung derartiger Relaisanordnungen können Komponenten des magnetischen Kreises und/oder des Kontaktsatzes (Kontakte und/oder Kontaktelemente) beiden Relais gemeinsam zugeordnet werden: üblicher weise ist ein magnetischer Kreis aus zwei unabhängig voneinander ansteuer baren Erregerspulen, ein gemeinsames Joch und ein zwischen den beiden Erregerspulen labil gelagerter Anker vorgesehen; bei dem bereits erwähn ten Kontaktsatz kann zudem (neben den beiden Wechselkontakten und den beiden Arbeitskontakten) ein gemeinsamer Ruhekontakt vorgesehen wer den. Mittels des labil gelagerten Ankers werden die Kontaktelemente des Kontaktsatzes betätigt und hierdurch das gewünschte Schaltverhalten am Ausgang der Relaisanordnung (Polaritätswechsel des Ausgangssignals) reali siert; bsp. können die Arbeitskontakte mittels zweier jeweils mit einem Wechselkontakt verbundenen Kontaktfedern "geschlossen" werden (mit dem Wechselkontakt verbunden werden). Vorteilhaft bei dieser Relaisanord nung mit labil gelagertem Anker ist, daß Platzbedarf, Herstellungsaufwand und damit auch Herstellungskosten minimiert sind. Nachteilig ist jedoch, daß der labil gelagerte Anker im Ruhezustand (kein Stromfluß in den beiden Erregerspulen, der Anker wird mittels Federkraft von den beiden Erreger spulen weggezogen) bei externen Beschleunigungseinflüssen Klappergeräu sche verursacht, die in vielen Anwendungsfällen störend wirken (bsp. im In nenraum eines Kraftfahrzeuges bei der elektrischen Betätigung von Fenster hebern, Sitzverstellung, Schiebedach etc.).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das auf einfache Weise eine Ge räuschminderung der Relaisanordnung im Ruhezustand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim vorgestellten Verfahren wird dem labil gelagerten Anker der Relaisan ordnung im Ruhezustand zur Geräuschminderung eine spielfreie Vorzugsla ge ohne mechanische Mittel aufgeprägt; diese spielfreie Vorzugslage im Ru hezustand der Relaisanordnung wird erzwungen, indem eine definierte ge ringfügige elektromagnetische Erregung des magnetischen Kreises dadurch generiert wird, daß eine der beiden Erregerspulen mit einem bestimmten geringfügigen (Ruhezustand-)Erregerstrom beaufschlagt wird und hierdurch eine geringfügige Kraft auf den Anker und damit auf mindestens ein Kon taktelement des Kontaktsatzes (bsp. auf eine Kontaktfeder) ausgeübt wird (d. h. eine geringfügige Ruhezustand-Ankerkraft, bsp. eine geringfügige Fe derkraft, erzeugt wird).

Die elektromagnetische Erregung des magnetischen Kreises (und somit der Ruhezustand-Erregerstrom durch eine der beiden Erregerspulen) im Ruhezu stand der Relaisanordnung wird so gewählt, daß die hieraus resultierende wirksame Ruhezustand-Ankerkraft auf das mindestens eine Kontaktelement des Kontaktsatzes (bsp. auf eine Kontaktfeder) einerseits eine Geräuschent wicklung bei externen Beschleunigungseinflüssen (d. h. bei mechanischer An regung) zuverlässig verhindert, andererseits aber die zwischen den Kontak ten des Kontaktsatzes (bsp. zwischen dem Ruhekontakt und dem Wechsel kontakt) wirksame Kontaktkraft nur in einem geringen Maße reduziert wird; d. h. der Ruhezustand-Erregerstrom wird so gewählt, daß die Ruhezustand- Ankerkraft einerseits groß genug ist, um Klappergeräusche des Ankers bei externen Beschleunigungseinflüssen (bei mechanischer Anregung) zuverläs sig zu verhindern, andererseits jedoch klein genug ist, damit die Ruhezu stand-Ankerkraft die Kontaktkraft - diese gewährleistet eine zuverlässige Stromübertragung zwischen den Kontakten des Kontaktsatzes (bsp. zwi schen den Wechselkontakten und den Arbeitskontakten bzw. dem gemein samen Ruhekontakt) sowie einen der Ruhelage des Ankers eindeutig zuge ordneten Ruhezustand der Relaisanordnung - nicht negativ beeinflußt.

Bei der zur Gewährleistung einer definierten Vorzugslage des Ankers im Ru hezustand der Relaisanordnung gewählten geringen Stromstärke des Ruhe zustand-Erregerstroms (diese liegt unterhalb der Ansprechschwelle der Re laisanordnung, da keine nennenswerte Auslenkung eines der Kontaktele mente, bsp. einer Kontaktfeder auftritt), bei nahezu konstanten Luftspalt verhältnissen und ohne Sättigungserscheinungen im magnetischen Kreis (aufgrund der geringen Flußdichte kann dies vorausgesetzt werden), ist die Ankerkraft und damit auch die Ruhezustand-Ankerkraft näherungsweise ei ne lineare Funktion des Erregerstromes; d. h. bei Kenntnis der elektroma gnetischen Parameter der Relaisanordnung und der Stromstärke des Ruhe zustand-Erregerstromes kann demzufolge die Ruhezustand-Ankerkraft auf einfache Weise bestimmt werden.

Die elektromagnetische Erregung des magnetischen Kreises im Ruhezustand der Relaisanordnung kann entweder durch (zeit-) kontinuierliche oder dis kontinuierliche (insbesondere gepulste) Ansteuerung der Relaisanordnung generiert werden: bei kontinuierlicher Ansteuerung der Relaisanordnung wird die Amplitude der zur Generierung des Ruhezustand-Erregerstroms herangezogenen Betriebsspannung der Relaisanordnung variiert, insbeson dere wird die Amplitude der Betriebsspannung gegenüber dem Normalbe trieb (dem "normalen" Wechselbetrieb) signifikant reduziert (bsp. von 12 V auf 1 V); bei gepulster Ansteuerung der Relaisanordnung wird die Amplitude der Betriebsspannung der Relaisanordnung beibehalten, jedoch das zeitli che Verhalten der Betriebsspannung variiert, insbesondere wird die wirk same Zeitdauer der angelegten Betriebsspannung gegenüber dem Nor malbetrieb (dem "normalen" Wechselbetrieb) signifikant reduziert.

Bei gepulster Ansteuerung der Relaisanordnung kann die Variation des zeit lichen Verhaltens (der Zeitdauer) der angelegten Betriebsspannung bsp. mit tels Pulsweitenmodulation mit vorgebbarem Tastverhältnis (bzw. vorgebba rem Verhältnis von Pulsdauer zu Pausenzeit) realisiert werden, wobei die Stromstärke des Ruhezustand-Erregerstroms, d. h. die Höhe der elektroma gnetischen Erregung und damit der Betrag der Ruhezustand-Ankerkraft durch das Tastverhältnis eingestellt werden kann. Das Tastverhältnis kann durch eine (bsp. als Mikrocontroller ausgeführte) Steuereinheit erzeugt wer den (eine derartige Steuereinheit ist meist bereits vorhanden); die Erreger spule kann mittels einer Treiberstufe mit dem pulsförmigen Ruhezustand-Er regerstrom beaufschlagt werden (eine derartige Treiberstufe ist meist ebenfalls bereits vorhanden): demnach werden in der Regel zur Ansteue rung der Relaisanordnung im Ruhezustand keine zusätzlichen Bauelemente benötigt, so daß auch keine zusätzlichen Kosten entstehen. Die Wiederholra te (Pulsfrequenz) bei der gepulsten Ansteuerung muß wesentlich höher als die Resonanzfrequenz des aus der trägen Masse des labil gelagerten Ankers und den Kontaktelementen (bsp. der Federrate der beiden Kontaktfedern) ge bildeten mechanischen Resonanzkreises gewählt werden, um die infolge der gepulsten Ansteuerung ggf. entstehende Kraftmodulation der Kontakt kräfte (bsp. der Anpreßkraft der Wechselkontakte auf den gemeinsamen Ru hekontakt) möglichst gering zu halten, da die Kontaktkräfte für ein zuver lässiges Schaltverhalten der Relaisanordnung näherungsweise konstant sein sollten.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die elektromagne tische Erregung des magnetischen Kreises im Ruhezustand adaptiv an die Randbedingungen (bsp. Exemplarstreuungen der Bauelemente Alterungsef fekte, Betriebsspannung) und/oder die Umgebungsbedingungen (bsp. die auf die Relaisanordnung einwirkende äußere Beschleunigung, die Masse des Ankers, die Kontaktkraft zwischen den Kontakten) angepaßt, da die elektro magnetische Erregung in Abhängigkeit dieser den Zusammenhang zwischen Erregerstrom und Ankerkraft beeinflussenden Parameter schwanken kann. Bei diesem adaptiven Verfahren wird in einer "Lernprozedur" durch konti nuierliche oder schrittweise Erhöhung der elektromagnetischen Erregung (und damit des Erregerstroms) der aktuelle Wert der Ansprechschwelle der Relaisanordnung ermittelt, wobei dieser aktuelle Wert für die Ansprech schwelle der Relaisanordnung entweder direkt durch elektrische Überwa chung der Kontakte des Kontaktsatzes der Relaisanordnung oder indirekt durch eine Überwachung der am Ausgang der Relaisanordnung angesteuer ten Last bestimmt werden kann; unter Zugrundelegung dieses anhand der aktuellen Randbedingungen ermittelten aktuellen Werts der Ansprech schwelle als Referenzwert wird der Wert für die elektromagnetische Erre gung im Ruhezustand interpoliert, wobei dieser Interpolation entweder ein lineares oder ein nicht-lineares Verhalten zugrundegelegt werden kann. Je nach Applikation und den zu erwartenden Umgebungsbedingungen/Rand bedingungen sowie deren zeitlichen Verhalten wird diese "Lernprozedur" einmal, mehrmals oder zyklisch durchgeführt. Der Wert der adaptiv be stimmten elektromagnetischen Erregung im Ruhezustand berücksichtigt so mit die aktuellen Umgebungsbedingungen bzw. Randbedingungen, wo durch die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht wird.

Das vorgestellte Verfahren soll im folgenden im Rahmen eines Ausführungs beispiels für eine Relaisanordnung beschrieben werden, die mit einem be stimmten Kontaktsatz ausgebildet ist, nämlich mit zwei Arbeitskontakten, zwei Wechselkontakten und einem gemeinsamen Ruhekontakt als Kontakte sowie mit Kontaktfedern als Kontaktelemente. Hierbei zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau dieser Relaisanordnung mit labil gelagertem Anker,

Fig. 2 das elektrische Funktionsprinzip dieser Relaisanordnung mit la bil gelagertem Anker und

Fig. 3 das schematische Blockschaltbild für eine Ansteuermöglichkeit dieser Relaisanordnung mit labil gelagertem Anker.

Die Relaisanordnung mit labil gelagertem Anker soll zur Realisierung der Um polfunktion eines bsp. zum Betätigen des Schiebedachs eines Kraftfahrzeu ges verwendeten Gleichstrommotors eingesetzt werden. Gemäß der Fig. 1 besteht die Relaisanordnung aus zwei Wechselkontakten 1, 2 einem ge meinsamen Ruhekontakt 3, zwei Arbeitskontakten 12, 13, den beiden mit ih rem ferromagnetischen Kern 6, 7 auf einem gemeinsamen ferromagneti schen Joch 8 angeordneten Erregerspulen 4, 5, dem labil gelagertem Anker 9 und den beiden Kontaktfedern 10, 11. Die beiden Wechselkontakte 1, 2 werden über den gemeinsamen Anker 9 und die beiden Kontaktfedern 10, 11 betätigt. Damit im Ruhezustand (kein Stromfluß in den beiden Erreger spulen 4, 5 und damit keine elektromagnetische Erregung des aus Erreger spule 4 bzw. 5, ferromagnetischer Kern 6 bzw. 7 und ferromagnetisches Joch 8 gebildeten magnetischen Kreises) eine möglichst hohe (aus der Fe derkraft der Kontaktfedern 10, 11 resultierende) Kontaktkraft zwischen den beiden Wechselkontakten 1, 2 und dem gemeinsamen Ruhekontakt 3 auf tritt, darf der Anker 9 keine nennenswerte Gegenkraft auf die beiden Kon taktfedern 10, 11 ausüben; daher wird der Anker 9 labil mit mechanischem Spiel zwischen den Kontaktfedern 10, 11 gelagert.

Gemäß der Fig. 2 wird je nach Stromfluß in einer der beiden Erregerspulen 4 bzw. 5 infolge eines Ansteuersignals AS durch die hieraus resultierende elektromagnetische Erregung des aus dieser Erregerspule 4 bzw. 5, dem fer romagnetischen Kern 6 bzw. 7 und dem ferromagnetischen Joch 8 gebilde ten magnetischen Kreises einer der beiden Wechselkontakte 1 bzw. 2 vom gemeinsamen Ruhekontakt 3 zum korrespondierenden Arbeitskontakt 12 bzw. 13 gezogen, wodurch am Ausgang A der Relaisanordnung (an diesem ist die induktive Last, bsp. der Gleichstrommotor angeschlossen) der ge wünschte Spannungspegel eingestellt wird. Die Betriebsspannung U_B der Re laisanordnung wird zwischen dem gemeinsamen Ruhekontakt 3 (bsp. mit Bezugspotential GND verbunden) und dem Arbeitskontakt 12 bzw. 13 (bsp. mit positiver Versorgungsspannung + verbunden) angelegt.

Gemäß der Fig. 3 wird im Ruhezustand der Relaisanordnung zur Gewährlei stung einer definierten geringfügigen (unterhalb der Ansprechschwelle der Relaisanordnung liegenden) elektromagnetischen Erregung und damit einer definierten Vorgabe der wirksamen Ankerkraft (und damit einer definierten Vorgabe der Stellung des Ankers) eine gepulste Ansteuerung einer der bei den Erregerspulen 4 bzw. 5 vorgenommen. Die Bestromung dieser Erreger spule 4 bzw. 5 mit einem bestimmten Ruhezustand-Erregerstrom erfolgt über eine als Transistorstufe 14 ausgebildete Treiberstufe, die beispielsweise in Emitter-Grundschaltung ausgeführt ist. Die gepulste Ansteuerung der Transistorstufe 14 und damit der Erregerspule 4 bzw. 5 wird mittels eines Pulsgenerators 17 vorgenommen, dessen (bsp. pulsweitenmodulierte) Aus gangssignal ein bestimmtes Tastverhältnis (und damit ein bestimmtes Ver hältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit der Transistorstufe 14) generiert; das Tastverhältnis wird bsp. von einem Mikrocontroller unter Berücksichti gung der auf die Stromstärke des Ruhezustand-Erregerstroms und somit auf die wirksame Ruhezustand-Ankerkraft wirkenden Einflußfaktoren aktuelle Betriebsspannung U_B der Betriebsspannungsquelle 15 und Widerstandswert R_i des Innenwiderstands 16 der bestromten Erregerspule 4 bzw. 5 vorgege ben.

Beispielsweise können bei einer Relaisanordnung mit den Kennwerten:

- Ankermasse: m_A = 1,2 g,
- Schließkraft im Ruhezustand: F_S = 500 mN,
- Ankerkraftsteilheit (im Ruhezustand): S_A = 10 N/A,
- Innenwiderstand der Erregerspule: R_i = 110 Ω,
- Nominale Betriebsspannung: U_B = 13 V,

Klappergeräusche des Ankers bis zum Beschleunigungswert a durch eine Ru hezustands-Ankerkraft (Ruheerregung) F_A

= m_A

.a unterdrückt werden - beispielsweise ist bei möglichen Beschleunigungswerten a_max

bis zu 10 g (98,1 m/s²

) eine Ankerkraft F_A

= a_max

.m_A

= 118 mN im Ruhezustand erfor derlich.

Bei kontinuierlicher Ansteuerung der Relaisanordnung ergibt sich der Erre gerstrom zu

I_R = F_A/S_A = 11,8 mA.

Für den Fall einer gepulsten Ansteuerung der Relaisanordnung ergibt sich ein Tastverhältnis TV bzw. eine prozentuale Einschaltdauer T_ein von

TV = T_ein = 100%.I_R.R_i/U_B = 10%.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Relaisanordnung,

- mit einem magnetischen Kreis aus zwei auf jeweils einem Kern (6, 7) angeordneten Erregerspulen (4, 5), einem Joch (8) und einem la bil gelagerten Anker (9),
- mit einem durch den labil gelagerten Anker (9) betätigbaren Kon taktsatz aus Kontakten (1, 2; 3; 12, 13) und Kontaktelementen (10, 11),
- die im Ruhezustand und beim Erreichen ihrer Ansprechschwelle unterschiedliche Schaltzustände einnimmt
dadurch gekennzeichnet,
- daß der magnetische Kreis im Ruhezustand der Relaisanordnung zur Erzeugung einer auf den labil gelagerten Anker (9) einwirken den Ruhezustand-Ankerkraft elektromagnetisch erregt wird,
- daß die elektromagnetische Erregung mittels eines durch eine der beiden Erregerspulen (4; 5) fließenden Ruhezustand-Erregerstroms erzeugt wird,
- und daß die Stromstärke des Ruhezustand-Erregerstroms so ge wählt wird, daß die Ruhezustand-Ankerkraft geringer als die bei der Ansprechschwelle der Relaisanordnung auftretende Anker kraft ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstär ke des Ruhezustand-Erregerstroms als anwendungsspezifische Konstante vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstär ke des Ruhezustand-Erregerstroms variierbar vorgegeben wird und adaptiv an die Umgebungsbedingungen bzw. Randbedingungen der Relaisanord nung angepaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstär ke des Ruhezustand-Erregerstroms nach Durchlaufen einer Lernprozedur vorgegeben wird, und daß als Ausgangswert für die Lernprozedur die der Ansprechschwelle der Relaisanordnung entsprechende Stromstärke des Er regerstroms herangezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Erregung des magnetischen Kreises durch An steuerung einer der beiden Erregerspulen (4; 5) mit einem zeitkontinuierli chen Ruhezustand-Erregerstrom erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Erregung des magnetischen Kreises durch An steuerung einer der beiden Erregerspulen (4; 5) mit einem pulsweitenmodu lierten Ruhezustand-Erregerstrom erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhält nis für die Ansteuerung einer der beiden Erregerspulen (4; 5) in Abhängig keit von der auf die Relaisanordnung einwirkenden äußeren Beschleunigung und/oder der Masse des labil gelagerten Ankers (9) und/oder der Kontakt kraft zwischen den Kontakten (1, 2; 3; 12, 13) des Kontaktsatzes vorgegeben wird.

8. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Betrieb einer Relaisan ordnung mit einem durch den labil gelagerten Anker (9) betätigbaren Kon taktsatz aus zwei Arbeitskontakten (12, 13), zwei Wechselkontakten (1, 2), ei nem gemeinsamen Ruhekontakt (3) sowie aus zwei Kontaktfedern (10, 11).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteue rung einer der beiden Erregerspulen (4; 5) in Abhängigkeit von der Kontakt kraft zwischen dem gemeinsamen Ruhekontakt (3) und den beiden Wechsel kontakten (1, 2) vorgenommen wird.