(19) |
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(11) |
EP 2 737 513 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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23.03.2016 Patentblatt 2016/12 |
(22) |
Anmeldetag: 20.06.2012 |
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(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP2012/002586 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 2013/017182 (07.02.2013 Gazette 2013/06) |
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(54) |
ELEKTROMAGNETISCHES RELAIS
ELECTROMAGNETIC RELAY
RELAIS ÉLECTROMAGNÉTIQUE
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
29.07.2011 DE 102011108949
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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04.06.2014 Patentblatt 2014/23 |
(73) |
Patentinhaber: |
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- Ellenberger & Poensgen GmbH
90514 Altdorf (DE)
- CeramTec GmbH
73207 Plochingen (DE)
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(72) |
Erfinder: |
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- NAUMANN, Michael
90537 Feucht (DE)
- BINDIG, Reiner
95463 Bindlach (DE)
- KELNBERGER, Alfons
96047 Bamberg (DE)
- SCHREINER, Hans-Jürgen
91217 Hersbruck (DE)
- STINGL, Peter
91207 Lauf (DE)
- MECKLER, Peter
91224 Hohenstadt/Pommelsbrunn (DE)
- BIRNER, Markus
90513 Zirndorf (DE)
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(74) |
Vertreter: FDST Patentanwälte |
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Nordostpark 16 90411 Nürnberg 90411 Nürnberg (DE) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A2- 0 175 387 US-A1- 2006 181 380
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WO-A1-2005/001868
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais, insbesondere ein Kraftfahrzeug-Relais,
mit einem Magnetjoch und mit einer Relaisspule sowie mit einem gegenüber mindestens
einem ersten Festkontakt gehaltenen Bewegkontakt, der bei stromloser Relaisspule von
einem Piezoaktor infolge dessen Ansteuerung geschlossen gehalten ist. Ein derartiges
Relais ist aus der
WO 2005/001868 A1 bekannt.
[0002] Ein Relais, wie es insbesondere auch in einem Kraftfahrzeug als elektromagnetischer
Schalter vielfach Anwendung findet, wird über einen Steuerstromkreis, in dem die Relaisspule
liegt, aktiviert und schaltet üblicherweise mindestens einen weiteren Stromkreis,
in den beispielsweise ein Elektromotor, eine Benzinpumpe oder häufig auch sicherheitsrelevante
Fahrzeugkomponenten, beispielsweise eines Kraftstoff-Einspritzsystems, geschaltet
ist.
[0003] Prinzipiell wird zwischen monostabilen und bistabilen Relais unterschieden. Ein monostabiles
Relais benötigt sowohl zum Anziehen als auch zum Halten des Ankers einen dauerhaften
Stromfluss durch die Relaisspule (Erregerwicklung), um die Arbeitsstellung (EIN) einzunehmen
und zu halten. Wird der Stromfluss unterbrochen, so geht das Relais autark in seine
Ruhestellung (AUS). Ein bistabiles Relais kann im stromlosen Zustand zwei verschiedene
stabile Zustände aufweisen, wozu es bei einem im Steuerkreis erzeugten Stromimpuls
in den jeweils anderen Schaltzustand umschaltet und diesen bis zum nächsten Steuerimpuls
beibehält. Das bistabile Relais muss daher aktiv angesteuert werden, um in eine definierte
Schaltstellung zu gelangen.
[0004] Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich sind möglichst leistungsarme Relais mit stromsparender
Relaisansteuerung gewünscht bzw. gefordert, zumal Verlustleistungen und insbesondere
Dauerverluste einen entsprechend erhöhten CO
2-Ausstoß des Kraftfahrzeugs bedingen.
[0005] Das Dokument
WO 2005/001868 A1 offenbart ein elektromagnetisches Relais gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
[0006] Zur Bereitstellung leistungsarme Relais ist es aus der
DE 43 25 619 A1 bekannt, zwei Relais in einer ersten Phase, in der eine vergleichsweise große Anzugsspannung
für den Anker erforderlich ist, parallel und im Anschluss an das Schließen des Arbeitskreiskontaktes
in einer zweiten Phase, in der nur eine vergleichsweise geringe Haltespannung erforderlich
ist, in Reihe zu schalten.
[0007] Bei einem aus der
DE 44 10 819 A1 bekannten Relais überbrückt ein Schalter einen Haltewiderstand, der den Haltestrom
der Erregerwicklung des Relais einstellt. Infolge des Überbrückens des Widerstandes
steht im ersten Moment des Einschaltens der Erregerwicklung ein vergleichsweise großer
Anzugsstrom zur Verfügung.
[0008] Aus der
DE 10 2005 037 410 A1 ist es bekannt, im Anschluss an das erfolgte Anziehen des Relais im Erregerkreis
über einen Mikrokontroller die Spannungsversorgung auf ein den Arbeitskontakt haltendes
Minimum zu reduzieren.
[0009] Bei einem aus der
DE 10 2008 023 626 A1 bekannten Relais ist die Relaissteuerung dazu ausgebildet, bei der Relaisbestromung
mittels eines Schalters den Erregerstrom derart zu steuern, dass durch die Erregerwicklung
zunächst ein Anzugsstrom und nach Ablauf einer Anzugszeit ein Haltestrom fließt, der
kleiner ist als der Anzugsstrom.
[0010] Auch ist es beispielsweise aus der
DE 92 12 266 U1 bekannt, beim Steuern eines Relais im Anschluss an die Anzugszeit durch eine Pulsweitenmodulation
des Spulenstroms die Verlustleistung in der Relaisspule zu verringern.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bevorzugt als Kraftfahrzeug-Relais
geeignetes elektromagnetisches Relais anzugeben, das insbesondere im Haltebetrieb
(EIN) möglichst leistungsarm arbeitet.
[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0013] Hierzu weist das Relais einen den Beweg- oder Umschaltkontakt bei stromloser Relaisspule
geschlossen haltenden, nachfolgend auch als Piezoaktor bezeichneten Piezostapelaktor
mit zur Drehachse eines Klappankers parallel verlaufender Krafthubrichtung auf und
bildet somit ein hybrides System mit monostabilem Verhalten bei nur sehr geringer
Stromaufnahme. Der Beweg- bzw. Umschaltkontakt wird bei stromloser Erregerwicklung
mittels des Piezoaktors vorzugsweise indirekt über den Klappanker, an dem der Bewegkontakt
in Form eines Federkontaktes federvorgespannt anliegt, geschlossen gehalten.
[0014] Das erfindungsgemäße Relais ist somit zwar einem bistabilen System nach dem Prinzip
des Haltebetriebs vergleichbar. Jedoch ist im Haltebetrieb die Relaisspule bzw. Erregerwicklung
im Gegensatz zu einem herkömmlichen monostabilen Relais stromlos. Der Piezoaktor benötigt
lediglich bei dessen Ansteuerung einen kurzen Stromfluss, während anschließend an
diesem bei nur sehr geringem Leckstrom lediglich eine Spannung anliegen muss (Haltebetrieb).
Da der Piezoaktor somit nahezu leistungslos arbeitet und die Relaisspule stromlos
ist, arbeitet das erfindungsgemäße Relais im Haltebetrieb ebenfalls praktisch leistungslos.
[0015] Das hierdurch bereitgestellte hybride Piezorelais-System ist zum sicheren Schalten
besonders geeignet. Das monostabile Verhalten gewährleistet, dass das Piezorelais
bei einem Spannungsausfall, insbesondere bei Ausfall der Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs,
zuverlässig autark in einen definierten Zustand übergeht. Da im Haltebetrieb und bei
stromloser Relaisspule der Piezoaktor die Kontaktschließung nur aufrecht erhält, solange
dessen Ansteuerspannung anliegt, erfolgt eine spontane Kontaktöffnung bei Abfall der
Ansteuerspannung infolge des Spannungsabfalls der Versorgungs- bzw. Bordnetzspannung.
[0016] Aufgrund des praktisch leistungslos aufrecht erhaltenen Halte- bzw. Ruhezustands
ist das erfindungsgemäße Relais insbesondere im Kraftfahrzeugbereich äußerst vorteilhaft,
da die geringe Verlustleistung mit einer entsprechenden CO
2-Einsparung des Kraftfahrzeugs einhergeht. Zudem ist die Temperaturentwicklung der
Relaisspule des erfindungsgemäßen hybriden Piezorelais-Systems, d. h. die Betriebstemperatur
im Vergleich zu herkömmlichen Relais erheblich geringer und annähernd Raumtemperatur.
Dies bietet den erheblichen Vorteil einer besonders flexiblen bzw. variablen Gestaltung
des Einbauraums für das Piezorelais.
[0017] Zwar ist es grundsätzlich bekannt, ein Relais mit einem Piezoaktor (piezoelektrischer
Elongator) auszurüsten. Bei diesen Relais, wie sie beispielsweise aus der
DE 36 03 020 C2, aus der
WO 1989/02659 A1, aus der
DE 198 13 128 A1 oder der
DE 10 2006 018 669 A1 bekannt sind, ersetzt jedoch ein insbesondere als piezoelektrischer Biegewandler
ausgeführter Piezoaktor die Erregerwicklung bzw. -spule und greift unmittelbar am
Arbeitskontakt an.
[0018] Auch ist bei einem aus der
DE 41 18 177 A1 bekannten Fehlerstromauslöser ein Piezoaktor eingesetzt, der in direktem mechanischen
Kontakt am Klappanker angreift. Der Piezoaktor dient jedoch, zusätzlich oder alternativ
zu einer den Polschenkel eines U-förmigen Magnetjoches umgebenden Erregerwicklung,
zum Abheben des Klappankers von der Polfläche, um eine am Klappanker angreifende mechanische
Rückstellfeder zur Überwindung einer unerwünschten Haftkraft zu unterstützen.
[0019] Der Piezoaktor des erfindungsgemäßen Relais ist als (Piezo-)Stapelaktor (stack) ausgeführt,
dessen Krafthubrichtung parallel zur Drehachse des Klappankers verläuft. Zur Vergrößerung
des vom Piezoaktor infolge dessen Ansteuerung erzeugten Krafthubs ist geeigneterweise
eine Hebelübersetzung vorgesehen, die den Krafthub in einen Klemmhub zur lösbaren
Fixierung eines klappanker- bzw. bewegkontaktseitig gehaltenen Zugelementes umsetzt.
Das Übersetzungsverhältnis ist geeigneterweise 2:1, so dass ein Krafthub des Piezoaktors
von beispielsweise ≥ 15 µm zu einem Klemmhub ≥ 30 µm führt.
[0020] Das einseitig am Klappanker bzw. Bewegkontakt (Wechsel- oder Umschaltkontakt) gehaltene
Zugelement ist in vorteilhafter Ausgestaltung freiendseitig in einen Klemmspalt geführt
und dort infolge der Ansteuerung des Piezoaktors kraftschlüssig gehalten.
[0021] Der Klemmspalt ist bevorzugt am Magnetjoch vorgesehen. Hierzu ist in den zum Klappanker
parallelen Polschenkel des geeigneterweise L-förmigen Magnetjochs ein durch eine Materialaussparung
hergestellter Schlitz bereitgestellt, der bezogen auf die Relaisspule radial verläuft
und an einer geeigneten Stelle von einem durch das Magnetjochmaterial gebildeten,
schmalen Steg unterbrochen bzw. geschlossen ist. Hierdurch sind ausgehend von einer
durch den Materialsteg gebildeten Dreh- oder Kippstelle in Richtung des Piezoaktors
ein von diesem beaufschlagter Hebelarm und in der anderen Richtung zum Klemmspalt
hin ein Klemmarm eines um die Drehstelle schwenkenden Klemmhebels gebildet. Die Länge
des Klemmarms ist dabei vorzugsweise größer als, vorzugsweise mindestens doppelt so
groß wie die Länge des Hebelarms.
[0022] Im Montagezustand stützt sich der den Klemmhebel beaufschlagende Piezoaktor an einem
Stützschenkel ab, dessen Abstand zum Klemmhebel an die Aktorhöhe des Piezoaktors angepasst
ist. Bezogen auf die Relaisspule ist ein zum radialen Polschenkel rechtwinklig verlaufender
axialer Funktionsschenkel vorzugsweise mit einer U-förmigen Aufnahmetasche für den
Piezoaktor versehen. Die zueinander parallelen U-Schenkel gehen in den Stützschenkel
bzw. in den Klemmschenkel des Polschenkels über.
[0023] An den Funktionsschenkel ist der Klappanker über die Drehachse angelenkt. Zudem ist
geeigneterweise ein von der Erregerwicklung umgebener Magnetkem der Relaisspule einerseits
gegen den Klappanker geführt und andererseits am Magnetjoch, das heißt am dem Klappanker
gegenüberliegenden Polschenkel befestigt, beispielsweise genietet.
[0024] Um ein (radiales) Ausgleiten des Zugelementes aus dem geöffneten Klemmspalt zuverlässig
zu verhindern, ist dieser von einer sickenartigen Klemmnut gebildet, in der das Zugelement
sicher einliegt. Eine Klemmnocke, die in die Klemmnut eingreift, ist zweckmäßig am
Klemmhebel vorgesehen, während die Klemmnut sich dann auf der gegenüberliegenden Spaltseite
am verbleibenden Polschenkel des Magnetjochs befindet.
[0025] Der Bewegkontakt ist bevorzugt als Federkontakt zur Erzeugung einer am Klappanker
angreifenden Federrückstellkraft ausgeführt. Hierzu ist ein etwa L-förmiges Federelement
geeignet gebogen bzw. geformt, wobei einer der abgekröpften Federschenkel am Funktionsschenkel
des Magnetjochs und der weitere Federschenkel am Klappanker fixiert sind.
[0026] Da sich der Piezoaktor erkanntermaßen ähnlich einem Kondensator bei der Stromaufnahme
verhält, ist einerseits lediglich im Moment der Erzeugung der Klemmkraft ein Stromfluss
erforderlich. Andererseits ist zum sicheren Lösen der Klemmung bei Ausfall der Steuerspannung
zur Ansteuerung des Piezoaktors diesem ein geeigneter ohmscher Widerstand parallel
geschaltet. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Relais sicher in den vorgegebenen
Zustand übergeht, insbesondere durch ein entsprechend zuverlässiges Öffnen des Arbeitskontaktes
oder durch einen Kontaktwechsel im Falle eines Umschaltkontaktes.
[0027] Die Komponenten des erfindungsgemäßen Relais sind vorzugsweise in einem aus einem
Gerätesockel und einer Gehäusekappe gebildeten Relaisgehäuse zuverlässig abgedichtet
montiert. Dabei ist sowohl der Relaisspule als auch dem Piezoaktor eine vorzugsweise
gemeinsame Steuerelektronik gehäuseintem zugeordnet. Aus dem Gehäusesockel sind die
Arbeits- bzw. Umschaltkontakte sowie die Steuerkontakte für die Elektronik als Flachsteckeranschlüsse
herausgeführt. Die Anschlüsse des Piezoaktors sind gehäuseintem mit der Elektronik
verbunden.
[0028] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigen:
- Fig. 1
- schematisch ein elektromagnetisches Relais mit einer Relaisspule in einem Magnetjoch
mit daran schwenkbarem Klappanker und einem Piezoaktor, der einen Arbeits- bzw. Umschaltkontakt
bei stromloser Erregerwicklung mittels eines Zugelementes geschlossen hält,
- Fig. 2
- in detaillierter Seitenansicht das Magnetjoch mit unter Bildung eines Klemmhebels
geschlitztem Polschenkel,
- Fig. 3
- in perspektivischer Detailansicht das elektromagnetische Relais mit Blick auf den
Piezoaktor bei geöffnetem Gehäuse,
- Fig. 4
- eine weitere perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Relais mit Blick auf
den Arbeits- bzw. Umschaltkontakt und auf das Zugelement,
- Fig. 5
- eine erste Explosionsdarstellung des Relais mit teilmontiertem Gehäusesockel, separiertem
Joch und Relaisspule sowie einer Gehäusekappe,
- Fig. 6
- das Relais in differenzierter Explosionsdarstellung, und
- Fig. 7
- ein Schaltbild des elektromagnetischen Relais.
[0029] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
[0030] Figur 1 zeigt schematisch das Relais 1 mit einem Magnetjoch 2 mit daran um eine Drehachse
3 schwenkbarem Klappanker 4, an dem ein Bewegkontakt 5 gehalten ist. Der Bewegkontakt
5 befindet sich in der Schließstellung mit einem Festkontakt (Ruhekontakt) 6a sowie
in Offenstellung zu einem weiteren Festkontakt (Arbeitskontakt) 6b, so dass insgesamt
ein Wechsel- oder Umschaltkontakt gebildet ist.
[0031] Zwischen dem Klappanker 4 und einem hierzu parallelen Polschenkel 2a des L-förmigen
Magnetjoches 2 befindet sich die nachfolgend auch als Erregerwicklung bezeichnete
Relaisspule 7 mit deren Magnetkern 8. Bezogen auf die Relaisspule 7 verlaufen der
Magnetkern 8 sowie ein Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches 2 in Axialrichtung x,
während der Klappanker 4 und der Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 diesbezüglich in
Radialrichtung y verläuft. In der Nähe des Funktionsschenkels 2b bzw. des Übergangs
zwischen diesem und dem Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 befindet sich ein Piezoaktor
9. Dieser ist als Piezostapelaktor (stack) ausgeführt.
[0032] Dem Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches 2 gegenüberliegend befindet sich ein nachfolgend
auch als Klemmfeder bezeichnetes Zugelement 10, das die offene Seite des U-förmigen
Magnetjoches 2 überspannt und einerseits am Klappanker 4 sowie andererseits am Polschenkel
2a des Magnetjochs 2 gehalten ist. Das dem Klappanker 4 zugeordnete Federende 10a
des Zugelementes 10 ist am Klappanker 4 unlösbar gehalten, während das gegenüberliegende
Klemmende 10b des Zugelementes 10 in einem im Polschenkel 2a vorgesehenen Klemmspalt
11 (Fig. 2) bei angezogenem Klappanker 4 und somit geschlossenen Kontakten 5, 6a klemmfixiert
ist. In diesem Zustand kann die Relaisspule 7 stromlos gesteuert werden, ohne dass
der Klappanker 4 abfällt und demzufolge der Kontakt 5, 6a öffnet.
[0033] Hierdurch ist ein hybrides Piezorelais-System zum sicheren Schalten mit monostabilem
Verhalten und äußerst geringer Stromaufnahme bereitgestellt. Da die Relaisspule 7
im gezeigten Haltebetrieb stromlos und der Piezoaktor 9 zur Aufrechterhaltung der
infolge dessen Ansteuerung bzw. Spannungsbeaufschlagung erzeugten Klemmkraft F
K, die das Zugelement 10 bei angezogenem Anker 4 hält, lediglich der erforderlichen
Ansteuerspannung bedarf und die Leckströme bei einem derartigen Piezostapelaktor 9
äußerst gering sind, wird die Kontaktschließung der Kontakte 5, 6a nahezu leistungslos
erzielt. Dies ist insbesondere im Kraftfahrzeugbereich äußerst vorteilhaft, da die
Verlustleistung eines Relais mit jedem Watt elektrischer Leistung mit einem entsprechend
erhöhten CO
2-Ausstoß des Kraftfahrzeugs einhergeht.
[0034] Fig. 2 zeigt in einer Seitenansicht auf den Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 einen
am Polschenkel 2a ausgebildeten Klemmhebel 12, der durch einen in Radialrichtung y
verlaufenden Längsschlitz 13 im Polschenkel 2a gebildet ist. Entlang des Längsschlitzes
(Material- oder Radialschlitz) 13 ist ein Materialsteg 14 vorhanden bzw. verblieben,
der eine Drehstelle um die strichliniert angedeutete Drehachse 15 bildet und den Längsschlitz
13 praktisch lokal schließt. Zwischen der Drehstelle bzw. Drehachse 15 und dem Ort
des Piezoaktors 9 entsteht somit eine Hebelarm a, während zwischen der Drehstelle
14 und dem Klemmspalt 11 ein Klemmarm b entsteht. Dabei ist der Klemmarm b im Ausführungsbeispiel
etwa doppelt so lang wie der Hebelarm a (b ≥ 2a).
[0035] Um die in z-Richtung verlaufende Aktorhöhe h des Piezoaktors beabstandet zum Klemmhebel
12 ist in das Magnetjoch 2 ein Stützschenkel 16 eingebracht, an dem sich der infolge
dessen Ansteuerung den Klemmhebel 12 betätigende Piezoaktor 9 abstützt. Gemäß dem
dargestellten kartesischen Koordinatensystem verläuft die vom Piezoaktor 9 erzeugte
Klemmkraft F
K sowie dessen Hubrichtung in z-Richtung, während der den Klemmhebel 12 bildende Längsschlitz
13 in Radialrichtung y verläuft.
[0036] Aus Fig. 2 vergleichsweise deutlich erkennbar ist auch die Ausgestaltung des Klemmspaltes
11. So ist in den Polschenkel 2a des Magnetjoches 2 im Bereich des Klemmspaltes 11
eine Klemmnut 11 a eingebracht, in der das Klemmende 10b des Zugelementes 10 einliegt
und somit gegen ein Ausschwenken in Radialrichtung y gesichert ist. In die Klemmnut
11a greift eine Klemmnocke 11 b unter Zwischenlage des Klemmendes 10b des Zugelementes
10 ein, die an den Klemmhebel 12 und dort an das Freiende dessen Klemmarms b angeformt
ist.
[0037] Die Figuren 3 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Relais 1 in verschiedenen perspektivischen Ansichten (Fig. 3 und 4) sowie in unterschiedlich
detaillierten Explosionsdarstellungen (Fig. 5 und 6).
[0038] Aus Fig. 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist das im Klemmspalt 11 einliegende
und an dessen Klemmende 10d geklemmte Zugelement 10. Erkennbar ist zudem der am Polschenkel
2a genietete Magnetkern 8, der die Relaisspule bzw. Erregerwicklung 7 durchsetzt und
mit einem Kopf 17 (Fig. 6) ankerseitig an einem Spulenkörper oder träger 18 abgestützt
ist (Fig. 4).
[0039] Zur besonders funktionalen und raumsparenden Anordnung des Piezoaktors 9 ist in den
Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches 2 eine U-förmige Aufnahmetasche 19 eingebracht.
Deren zueinander parallelen U-Schenkel 19a und 19b gehen in den (oberen) Klemmschenkel
12 bzw. in den (unteren) Stützschenkel 16 des Polschenkels 2a über.
[0040] Der Piezoaktor 9 ist mit Kontaktelementen 20a, 20b kontaktiert, die ihrerseits mit
einer Elektronik 21 zur Relaissteuerung verbunden sind. Mit der Elektronik 21 verbunden
sind auch Kontaktelemente 22a, 22b, die in nicht näher dargestellter Art und Weise
mit den Wicklungsenden der Relaisspule 7 kontaktiert sind. Diese Kontaktelemente 22a,
22b sind im Spulenkörper 18 fixiert, wie aus Fig. 6 ersichtlich ist. Die Elektronik
21 ist zudem mit Steueranschlüssen 23a, 23b verbunden, die in Fig. 6 dargestellt sind.
[0041] Wie aus den Fig. 4 und 6 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist der Bewegkontakt
5 als Federkontakt ausgeführt. Dazu weist ein L-förmiges Federelement 24 einen am
Funktionsschenkel 2b des Magnetjoches gehaltenen Federschenkel 24a sowie einen weiteren
Federschenkel 24b auf, der auf die der Relaisspule 7 abgewandte Außenseite des Klappankers
4 geführt und dort mit diesem verbunden ist. Das Federelement 24 und somit der Feder-
bzw. Bewegkontakt 5 bewirkt eine Rückstellkraft F
R auf den Klappanker 4 in x-Richtung, so dass dieser unterstütz durch die entsprechende
Federkraft abfällt, wenn sowohl die Relaisspule 7 stromlos als auch der Piezoaktor
9 spannungslos und somit der Klemmspalt 1 geöffnet ist.
[0042] Die dargestellten und beschriebenen Komponenten und Bauelemente des Relais 1 sind
an bzw. auf einem Gehäusesockel 25 montiert, der im Montageendzustand mittels einer
Gehäusekappe 26 vorzugsweise schmutz- und feuchtigkeitsdicht abgedeckt ist. Aus dem
im Querschnitt etwa quadratischen Gehäusesockel 25 sind bodenseitig Kontaktanschlüsse
K
1, K
2 (Arbeits- bzw. Ruhekontaktanschluss) der Festkontakte 6a (Ruhekontakt) bzw. 6b (Arbeitskontakt),
mindestens ein Kontaktanschluss K
3 (Steueranschluss 23a und/oder 23b) der Elektronik 21, mindestens ein Kontaktanschluss
K
4 (Spulenkontaktanschluss) der Relaisspule 7 sowie ein Kontaktanschluss K
5 (Wechselkontaktanschluss) des Beweg- bzw. Wechsel- oder Umschaltkontaktes 5 herausgeführt.
[0043] In Fig. 7 ist ein Schaltbild des elektromagnetischen Piezo-Relais 1 gemäß der Erfindung
dargestellt. Ein Schaltstromkreis oder -pfad 27, in den eine Last 28, beispielhaft
eine Benzinpumpe oder ein Elektromotor, in Reihe mit dem Arbeitskontakt 6b zwischen
dem Pluspol und dem Minuspol bzw. Masse einer Versorgungsspannung U
v geschaltet ist, wird von einem Steuerkreis bzw. -pfad 29 des Relais 1 galvanisch
getrennt geschaltet. Während in Fig. 4 das elektromagnetische Relais 1 im Einschaltzustand
(EIN) zeigt, ist in Fig. 7 der Ausschaltzustand (AUS) dargestellt.
[0044] Die Elektronik 21 wird mit einer Steuerspannung U
S versorgt, die bei einem Kraftfahrzeug aus dessen Bordnetzspannung gewonnen wird.
Dem Piezoaktor 9 ist ein ohmscher Widerstand R elektrisch parallel geschaltet, um
bei Ausfall der Steuerspannung U
S die Klemmung des Zugelementes 10 im Klemmspalt 11 sicher zu lösen. In einem solchen
Fehlerfall geht der Bewegkontakt 5 aus dem gezeigten Schließ- oder Arbeitszustand
in den sicheren Umschaltzustand mit Kontaktierung am Wechselkontakt 6b über.
Bezugszeichenliste
1 |
Relais |
20b |
Kontaktelement |
2 |
Magnetjoch |
21 |
Elektronik |
2a |
Polschenkel |
22a |
Kontaktelement |
2b |
Funktionsschenkel |
22b |
Kontaktelement |
3 |
Drehachse |
23a |
Steueranschluss |
4 |
Klappanker |
23b |
Steueranschluss |
5 |
Bewegkontakt |
24 |
Federelement |
6a |
Arbeitskontakt |
24a |
Federschenkel |
6b |
Ruhekontakt |
24b |
Federschenkel |
7 |
Relaisspule |
25 |
Gehäusesockel |
8 |
Magnetkern |
27 |
Schaltstromkreis/-pfad |
9 |
Piezoaktor |
28 |
Last |
10 |
Zugelement |
29 |
Steuerkreis/-pfad |
10a |
Federende |
|
|
10b |
Klemmende |
a |
Hebelarm |
10d |
Klemmende |
b |
Klemmarm |
11 |
Klemmspalt |
h |
Aktorhöhe |
11a |
Klemmnut |
FK |
Klemmkraft |
11b |
Klemmnocke |
FR |
Federrückstellkraft |
12 |
Klemmhebel |
K1 |
Arbeitskontaktanschluss |
13 |
Längsschlitz |
K2 |
Ruhekontaktanschluss |
14 |
Materialsteg |
K3 |
Spulenkontaktanschluss |
15 |
Drehachse/-stelle |
K4 |
Spulenkontaktanschluss |
16 |
Stützschenkel |
K5 |
Wechselkontaktanschluss |
18 |
Spulenkörper |
US |
Steuerspannung |
19 |
Aufnahmetasche |
UV |
Versorgungsspannung |
19a |
U-Schenkel |
X |
Axialrichtung |
19b |
U-Schenkel |
y |
Radialrichtung |
20a |
Kontaktelement |
|
|
1. Elektromagnetisches Relais (1), insbesondere Kraftfahrzeug-Relais, mit einem Magnetjoch
(2) und mit einer Relaisspule (7) sowie mit einem um eine Drehachse (3) schwenkbaren
Klappanker (4), an dem ein Bewegkontakt (5) gegenüber mindestens einem ersten Festkontakt
(6a, 6b) gehalten ist, mit
einem Piezostapelaktor (9),
gekennzeichnet dadurch, dass dessen Krafthubrichtung (h) parallel zur Drehachse (3) des Klappankers (4) verläuft,
infolge dessen Ansteuerung den Bewegkontakt (5) bei stromloser Relaisspule (7) geschlossen
hält.
2. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine Hebelübersetzung (a, b) zur Umsetzung eines vom Piezostapelaktor (9) infolge
dessen Ansteuerung erzeugten Krafthubs in einen Klemmhub zur lösbaren Klemmfixierung
eines klappanker- und/oder bewegkontaktseitig gehaltenen Zugelementes (10).
3. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das einseitig am Klappanker (4) gehaltene Zugelement (10) freiendseitig in einen
Klemmspalt (11) geführt und infolge der Ansteuerung des Piezostapelaktors (9) im Klemmspalt
(11) kraftschlüssig gehalten ist.
4. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetjoch (2) ein um eine Dreh- oder Kippstelle (15) schwenkenden Klemmhebel
(12) mit einem vom Piezostapelaktor (9) beaufschlagten Hebelarm (a) und mit einem
zum Klemmspalt (11) geführten Klemmarm (b) aufweist.
5. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmhebel (12) durch einen in das Magnetjoch (2), insbesondere in deren Polschenkel
(2a), eingebrachten Radialschlitz (13) hergestellt ist, der von einem die Drehstelle
(15) darstellenden Materialsteg (14) gebildet ist.
6. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmarm (b) länger als, insbesondere mindestens doppelt so lang wie, der Hebelarm
(a) ist.
7. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zugelement (10) axial und der Klemmspalt (11) radial zur Relaisspule (7) orientiert
ist.
8. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetjoch (2) einen zum Klemmhebel (12) beabstandeten Stützschenkel (16) aufweist,
an dem sich der infolge dessen Ansteuerung den Klemmhebel (12) betätigende Piezostapelaktor
(9) abstützt.
9. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen dem Klemmhebel (12) und dem Stützschenkel (16) an die in Hubrichtung
(z) des Piezostapelaktors (9) verlaufende Aktorhöhe (h) angepasst ist.
10. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch
ein L-förmiges Magnetjoch (2) mit bezogen auf die Relaisspule (7) einem radialen Polschenkel
(2a) und einem axialen Funktionsschenkel (2b), an den der Klappanker (4) über die
Drehachse (3) angelenkt ist.
11. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Funktionsschenkel (2b) eine U-förmige Aufnahmetasche (19) für den Piezostapelaktor
(9) aufweist, wobei die zueinander parallelen U-Schenkel (19a, 19b) in den Klemmschenkel
(12) bzw. in den Stützschenkel (16) des Polschenkels (2a) übergehen.
12. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Klemmspalt (11) von einer, vorzugsweise am Klemmhebel (12) vorgesehenen, Klemmnocke
(11 b) und einer sickenartigen Klemmnut (11a) gebildet ist, in welche die Klemmnocke
(11 b) unter Sicherung des Zugelementes (10) gegen ein radiales Ausschwenken eingreift.
13. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bewegkontakt (5) als Federkontakt zur Erzeugung einer am Klappanker (4) angreifenden
Federrückstellkraft (FR) ausgeführt ist.
14. Elektromagnetisches Relais (1) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein etwa L-förmiges Federelement (24) des Federkontaktes derart gebogen ist, dass
einer der abgekröpften Federschenkel (24a) am Funktionsschenkel (2a) des Magnetjochs
(2) und der weitere Federschenkel (24b) am Klappanker (4) fixiert sind.
15. Elektromagnetisches Relais (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass unter Bildung eines Umschaltkontaktes (5, 6a, 6b) ein zweiter Festkontakt (6b) mit
einem dem Piezostapelaktor (9) parallel geschalteten ohmschen Widerstand (R) verbunden
ist.
1. Electromagnetic relay (1), in particular motor vehicle relay, having a magnet yoke
(2) and having a relay coil (7) as well as having a hinged armature (4) which is pivotable
around a rotational axis (3), on which hinged armature (4) a movable contact (5) is
held opposite at least one first fixed contact (6a, 6b), having a piezo stack actuator
(9),
characterised in that
the power stroke direction (h) thereof runs in parallel to the rotational axis (3)
of the hinged armature (4), as a result of the control of which the moving contact
(5) remains closed in the case of a current-free relay coil (7).
2. Electromagnetic relay (1) according to claim 1,
characterised by
a lever transmission (a, b) to convert a power stroke generated by the piezo stack
actuator (9) as a result of the control thereof into a clamp stroke for the releasable
clamp fixing of a tension element (10) held on the hinged armature- and/or moveable
contactside.
3. Electromagnetic relay (1) according to claim 2,
characterised in that
the tension element (10) held on one side on the hinged armature (4) is guided on
the free end-side into a clamp gap (11) and, as a result of the control of the piezo
stack actuator (9), is held positively in the clamp gap (11).
4. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 1 to 3,
characterised in that
the magnet yoke (2) has a clamp lever (12) which pivots around a rotational or tipping
point (15), having a lever arm (a) which is loaded by the piezo stack actuator (9)
and having a clamp arm (b) which is guided to the clamp gap (11).
5. Electromagnetic relay (1) according to claim 4,
characterised in that
the clamp lever (12) is produced by a radial slot (13) which is introduced into the
magnet yoke (2), in particular into the pole limb (2a) thereof, said radial slot (13)
being formed by a material bar (14) which represents the rotational point (15).
6. Electromagnetic relay (1) according to claim 4 or 5,
characterised in that
the clamp arm (b) is longer than, in particular at least twice as long as, the lever
arm (a).
7. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 4 to 6,
characterised in that
the tension element (10) is orientated axially and the clamp gap (11) is orientated
radially to the relay coil (7).
8. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 4 to 7,
characterised in that
the magnet yoke (2) has a support limb (16) at a distance to the clamp lever (12),
on which support limb (16) the piezo stack actuator (9) which operates the clamp lever
(12) as a result of the control thereof is supported.
9. Electromagnetic relay (1) according to claim 8,
characterised in that
the distance between the clamp lever (12) and the support limb (16) is adapted to
the actuator height (h) running in the stroke direction (z) of the piezo stack actuator
(9).
10. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 1 to 9,
characterised by
an L-shaped magnet yoke (2) having, with regard to the relay coil (7), a radial pole
limb (2a) and an axial functional limb (2b), on which the hinged armature (4) is hinged
over the rotational axis (3).
11. Electromagnetic relay (1) according to claim 10,
characterised in that
the functional limb (2b) has a U-shaped receiving pocket (19) for the piezo stack
actuator (9), wherein the U-limbs (19a, 19b) which are in parallel to each other merge
into the clamp limb (12) or into the support limb (16) of the pole limb (2a).
12. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 3 to 11,
characterised in that
the clamp gap (11) is formed by a clamp cam (11b), preferably provided on the clamp
lever (12), and a bead-shaped clamp groove (11a), with which the clamp cam (11b) engages,
securing the tension element (10) against swinging out radially.
13. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 1 to 12,
characterised in that
the movable contact (5) is designed as a spring contact to generate a spring return
force (FR) which acts on the hinged armature (4).
14. Electromagnetic relay (1) according to claim 13,
characterised in that
an approximately L-shaped spring element (24) of the spring contact is bent in such
a way that one of the bent spring limbs (24a) is fixed to the functional limb (2a)
of the magnet yoke (2) and the further spring limb (24b) is fixed to the hinged armature
(4).
15. Electromagnetic relay (1) according to one of claims 1 to 14,
characterised in that
a second fixed contact (6b) is connected to an ohmic resistor (R) which is connected
in parallel to the piezo stack actuator (9), forming a switch contact (5, 6a, 6b).
1. Relais électromagnétique (1), en particulier un relais pour automobile, comportant
une culasse magnétique (2) et une bobine de relais (7) ainsi qu'une armature basculante
(4) oscillant autour d'un axe de rotation (3), sur lequel un contact mobile (5) est
supporté en vis-à-vis d'au moins un premier contact fixe (6a, 6b), comportant un actionneur
piézoélectrique empilé (9) caractérisé en ce que sa direction de la course d'effort (h) s'étend parallèlement à l'axe de rotation
(3) de l'armature basculante (4), et suite à sa commande maintient fermé le contact
mobile (5) dans le cas de la bobine de relais hors courant (7).
2. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 1, caractérisé par
une transmission à levier (a, b) pour convertir une course d'effort produite par l'actionneur
piézoélectrique empilé (9) à la suite de sa commande en une course de serrage en vue
de la fixation par serrage amovible d'un élément de traction (10) supporté côté armature
basculante et/ou côté contact mobile.
3. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que
l'élément de traction (10) supporté d'un côté par l'armature basculante (4) est guidé
côté extrémité libre dans une fente de serrage (11) et est maintenu à force à la suite
de la commande de l'actionneur piézoélectrique empilé (9) dans la fente de serrage
(11).
4. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
la culasse magnétique (2) présente un levier de serrage (12) oscillant autour d'un
point de pivotement ou d'un point de basculement (15) comportant un bras de levier
(a) sollicité par l'actionneur piézoélectrique empilé (9) et un bras de serrage (b)
guidé vers la fente de serrage (11).
5. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que
le levier de serrage (12) est réalisé par une fente radiale (13) disposée dans la
culasse magnétique (2), en particulier dans sa branche polaire (2a), qui est formée
par une tige de matériau (14) présentant le point de pivotement (15).
6. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que
le bras de serrage (b) est plus long que le bras de levier (a), en particulier au
moins le double.
7. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que
l'élément de traction (10) est orienté axialement et la fente de serrage (11) radialement
par rapport à la bobine de relais (7).
8. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que
la culasse magnétique (2) présente une branche d'appui (16) éloignée du levier de
serrage (12), sur laquelle s'appuie l'actionneur piézoélectrique empilé (9) actionnant
le levier de serrage (12) à la suite de sa commande.
9. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que
la distance entre le levier de serrage (12) et la branche d'appui (16) est adaptée
à la hauteur de l'actionneur (h) s'étendant dans la direction de la course (z) de
l'actionneur piézoélectrique empilé (9).
10. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par
une culasse magnétique en forme de L (2) comportant par rapport à la bobine de relais
(7) une branche polaire radiale (2a) et une branche fonctionnelle axiale (2b), à laquelle
l'armature basculante (4) est articulée autour de l'axe de rotation (3).
11. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que
la branche fonctionnelle (2b) présente une poche de réception en forme de U (19) pour
l'actionneur piézoélectrique empilé (9), dans lequel les branches en U parallèles
l'une à l'autre (19a, 19b) se prolongent dans la branche de serrage (12) ou dans la
branche d'appui (16) de la branche polaire (2a).
12. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 3 à 11, caractérisé en ce que
la fente de serrage (11) est formée par une came de serrage (11b), prévue de préférence
sur le levier de serrage (12), et une gorge de serrage (11a) en forme de moulure,
dans laquelle la came de serrage (11b) pénètre en assurant l'élément de traction (10)
contre une oscillation radiale.
13. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que
le contact mobile (5) est réalisé en tant que contact élastique pour générer une force
de rappel élastique (FR) s'appliquant à l'armature basculante (4).
14. Relais électromagnétique (1) selon la revendication 13, caractérisé en ce que
un élément élastique (24) pratiquement en forme de L du contact élastique est plié
de sorte qu'une des branches élastiques pliées (24a) est fixée à la branche fonctionnelle
(2a) de la culasse magnétique (2) et l'autre branche élastique (24b) est fixée à l'armature
basculante (4).
15. Relais électromagnétique (1) selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que
lors de la formation d'un contact de commutation (5, 6a, 6b), un second contact fixe
(6b) est relié à une résistance ohmique (R) montée parallèlement à l'actionneur piézoélectrique
empilé (9).
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
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Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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