Die Erfindung betrifft ein polarisiertes Relais nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Relais kann beispielsweise zur Steuerung eines Kommutatormotors verwendet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Relais tristabiles Verhalten aufweist und die drei stabilen Zustände des Relais den Motorzuständen "ruhend", "rechtsdrehend" und "linksdrehend" zugeordnet werden können.
Aus der DE 32 43 266 C2 ist ein polarisiertes Relais bekannt, das aus zwei im Querschnitt U-förmigen, mit ihren kurzen Schenkeln einander zugewandten ersten Jochen und von diesen im Abstand umschlossenen kleineren, zweiten Jochen besteht. Dabei ist zwischen den ersten und den zweiten Jochen ein Permanentmagnet mit rechtwinklig zu den Großflächen der Joche verlaufender magnetischer Achse angeordnet. Die zweiten Joche umschließen außerdem eine Erregerspule, die einen in Richtung der Spulenachse verschiebbaren, stangenförmigen Anker umgibt, dessen beide außerhalb der Erregerspule liegende Enden als Platten ausgebildet sind, die zwischen den Polflächen bildenden Innenflächen der kurzen Schenkeln der ersten Joche und den Stirnflächen der zweiten Joche verschiebbar sind. Der Anker besteht aus zwei in der Mitte der Erregerspule radial geteilten Stangenhälften, zwischen denen eine Schraubendruckfeder angeordnet ist, deren Vorspannung derart bemessen ist, daß die Platten des Ankers im stromlosen Zustand der Erregerspule an den Polflächen der kurzen Schenkel der ersten Joche anliegen, während im stromdurchflossenen Zustand der Erregerspule, abhängig von der Stromflußrichtung entweder die eine oder die andere Platte an den entsprechenden Stirnflächen der zweiten Joche anliegt.
Dieses Relais zeigt unter Verwendung nur einer Erregerspule tristabiles Verhalten. Allerdings ist damit ein sehr aufwendiger und komplizierter Aufbau des Relais verbunden, das neben der Erregerspule und deren zweigeteiltem Anker eine Druckfeder, zwei Permanentmagnete und vier Joche aufweist. Außerdem muß bei jedem Schaltvorgang die Federkraft der Druckfeder durch die Kraft des von der Erregerspule aufgebauten Magnetfeldes überwunden werden, was entsprechend große Erregerströme erfordert.
Aus der DE 35 46 382 A1 ist ein polarisiertes elektrisches Kleinrelais bekannt, das als zweifach-Umschaltrelais ausgebildet ist. An den beiden freien Enden eines Spulenkerns sind jeweils ein Blattanker und Rückflußelemente angeordnet. Die Blattanker werden durch in Reihe gesetzte Dauermagnete gehalten und führen bei Erregung der Spule einen synchronen Schaltvorgang aus.
Dieses Zweifach-Umschaltrelais ist lediglich für einen mono- und bistabilen Betrieb vorgesehen. Es hat ferner den Nachteil, daß die Konstruktion der Rückflußelemente sehr viel Weicheisen erfordert, um den für eine sichere Funktion des Relais notwendigen magnetischen Rückfluß zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein polarisiertes Relais der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei Verwendung nur einer Erregerspule tristabiles Verhalten zeigt, das einfach aufgebaut ist und das mit möglichst geringen Erregerströmen Schaltvorgänge auslöst und damit zur Steuerung elektrischer Verbraucher und/oder kleiner mechanischer, hydraulischer oder dergleichen Stellvorrichtungen, insbesondere zur Steuerung eines Kommutatormotors geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein polarisiertes Relais mit tristabilen Verhalten und einfachem Aufbau bei Verwendung nur einer Erregerspule geschaffen werden kann, wenn an den beiden Stirnseiten eines Elektromagneten, der von der Erregerspule und dem darin angeordneten Spulenkern gebildet wird, jeweils ein entlang seiner magnetischen Achse verschiebbarer Permanentmagnet angeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete den Stirnseiten des Spulenkerns mit gleichnamigen Polen zugewandt sind.
Im stromlosen Zustand wird der Spulenkern durch die Permanentmagnete magnetisch derart polarisiert, daß eine anziehende Wechselwirkung zwischen dem Spulenkern und jedem der beiden Permanentmagnete besteht. In dieser stabilen Ruhestellung des polarisierten Relais liegen die beiden Permanentmagnete mit Ihren dem Spulenkern zugewandten, gleichnamigen Polen jeweils an einer Stirnseite des Spulenkerns an, falls nicht durch die Verwendung von Distanzstücken oder dergl. ein Abstand zwischen dem Elektromagneten und den beiden Permanentmagneten erzwungen wird. Bei Bestromung der Spule mit einem Gleichstrom wirkt in Abhängigkeit von dessen Richtung jeweils auf einen der beiden Permanentmagnete eine anziehende und auf den anderen eine abstoßende magnetische Kraft. Letzterer wird durch die abstoßende magnetische Kraft in einen größeren Abstand von dem Spulenkern gebracht.
Insgesamt können also mit dem erfindungsgemäßen Relais drei Zustände verwirklicht werden, d. h. das Relais zeigt tristabiles Verhalten. Dies wird durch Verwendung lediglich eines Elektromagneten und zweier Permanentmagnete erreicht, wobei bei den Schaltvorgängen nur geringe Kräfte überwunden werden müssen, da die Lage der beiden Permanentmagnete ausschließlich durch die wirkenden magnetischen Kräfte bestimmt wird. Es treten keine Federkräfte oder ähnliches auf.
Damit eignet sich das erfindungsgemäße polarisierte Relais zur Auslösung von Schaltvorgängen mit geringen Erregerströmen, insbesondere zur Steuerung elektrischer Verbraucher, sowie kleiner mechanischer, hydraulischer oder dergleichen Stellvorrichtungen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei stromloser Erregerspule die beiden Permanentmagnete an jeweils einer Stirnseite des Spulenkerns anliegen und bei Bestromung der Spule mit einem Gleichstrom vorgegebener Stärke in Abhängigkeit von dessen Richtung jeweils einer der Permanentmagnete in einen vorgegebenen Abstand von dem Spulenkern bringbar ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können die Schaltvorgänge mit besonders kleinen magnetischen Kräften ausgeführt werden, da sich die Permanentmagnete in unmittelbarer Nähe des Elektromagneten befinden und im stromlosen Zustand sogar an dessen Stirnseiten anliegen. Zu Gewährleistung eines sicheren Schaltvorganges sind die Dauermagnete und die Erregerströme aufeinander abzustimmen.
Zur Befestigung von Relaiskontakten an den beiden Permanentmagneten ist an den dem Spulenkern abgewandten Enden der Permanentmagnete jeweils eine Halteplatte für die Relaiskontakte vorgesehen.
In diesem Fall ist das Relais vorzugsweise so ausgelegt, daß die an den Halteplatten der Permanentmagnete befestigten Relaiskontakte bei stromloser Erregerspule auf identische erste Potentiale geschaltet sind und daß bei Bestromung der Erregerspule mit einem Gleichstrom in Abhängigkeit von dessen Richtung jeweils einer der Relaiskontakte durch magnetische Abstoßung des zugehörigen Permanentmagneten auf ein anderes, zweites Potential schaltbar ist.
Zur Gewährleistung einer sicheren Verschiebbarkeit der Permanentmagnete relativ zu dem Spulenkern in Abhängigkeit von den wirkenden magnetischen Kräften kann vorgesehen sein, daß die Erregerspule auf einen Grundkörper gewickelt ist, in dem der Spulenkern ortsfest angeordnet ist und in dem den beiden Stirnseiten des Spulenkerns jeweils ein Permanentmagnet gegenübersteht, der in Führungen des Grundkörpers entlang seiner magnetischen Achse verschiebbar ist.
Das erfindungsgemäße polarisierte Relais ist insbesondere für die Steuervorrichtung eines Kommutatormotors mit einer Leiterplatte, auf der eine Steuerelektronik, die Bürsten eines Kommutatormotors und das polarisierte Relais angeordnet sind, verwendbar.
Diese Steuervorrichtung für einen Kommutatormotor zeichnet sich insbesondere durch die einfache Bauweise und den geringen Platzbedarf des polarisierten Relais aus, das mit nur einer Errgerspule die Bestromung des Kommutatormotors steuert. Durch die kompakte Bauweise des Relais lassen sich die Steuerelektronik für den Motor, das polarisierte Relais und die Bürsten des Kommutatormotors platzsparend auf einer Leiterplatte anordnen. Dies führt auch zu einer Senkung der Fertigungskosten.
Aus der EP 0 474 904 A1 ist allgemein eine Kommutator-Getriebe-Antriebseinheit bekannt, bei der ein IC-Baustein, zwei Motorrelais und die Bürsten des Kommutatormotors auf einer Leiterplatte angeordnet sind, jedoch ist diese Anordnung insbesondere aufgrund der Verwendung zweier Motorrelais wesentlich aufwendiger und platzbedürftiger als die vorliegende Steuervorrichtung für einen Kommutatormotor.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik den wesentlichen Vorteil auf, daß durch die besonders einfache und kompakte Gestaltung des polarisierten Relais die Steuervorrichtung für den Kommutatormotor insgesamt wesentlich kostengünstiger hergestellt werden kann und einen geringeren Platzbedarf hat.
Bevorzugte Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Gestaltung des polarisierten Relais als solches betreffen, ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 8 bis 10.
Der notwendige Kontakt zwischen den auf der Leiterplatte angeordneten Bürsten des Kommutatormotors und dem Kommutator wird beispielsweise dadurch ermöglicht, daß die Leiterplatte eine Ausnehmung aufweist, in der der Kommutator angeordnet ist und in die die Bürsten des Kommutatormotors hineinragen. Die Bürsten können dabei mit Druckfedern gegen den Kommutator gedrückt werden.
Eine besonders kompakte Anordnung der Steuerung für einen Kommutatormotor auf einer Leiterplatte ist möglich, wenn das polarisierte Relais unmittelbar neben den Bürsten des Kommutatormotors angeordnet ist.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Gestaltung des polarisierten Relais derart an den Verlauf der Wand der Ausnehmung für den Kommutator angepaßt ist, daß die äußere Kontur des Relais zumindest in einem Abschnitt entlang der Wand der Ausnehmung verläuft. Durch den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Relais ist dies bei geeigneter Gestaltung von dessen Bauteilen (insbesondere Grundkörper und Spulenkern) selbst dann möglich, wenn die Wand der Ausnehmung in dem besagten Abschnitt eine Krümmung aufweist.
Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen polarisierten Relais. Auf einen Grundkörper 1 ist eine Erregerspule 2 gewickelt, in der als Spulenkern ein Weicheisenkern 3 ortsfest angeordnet ist. Die Erregerspule 2 und der Spulenkern 3 bilden also einen Elektromagneten. An den beiden Stirnseiten 31, 32 des Spulenkerns 3 ist jeweils ein Permanentmagnet 4 und 5 in Führungen 12 bzw. 13 des Grundkörpers 1 entlang seiner magnetischen Achse (A) verschiebbar gelagert. Die Permanentmagnete 4 und 5 sind jeweils einer Stirnseite 31 bzw. 32 des Spulenkerns 3 mit gleichnamigen Polen (N) zugewandt. An den dem Spulenkern 3 abgewandten Enden (Südpole S) der Permanentmagnete 4, 5 ist jeweils eine Halteplatte 6, 7 für die zweiteiligen Relaiskontakte 8, 9 befestigt. Die Relaiskontakte 8, 9 können über flexible Kupferlitzen 10, 11 beispielsweise mit den Bürsten eines Kommutatormotors leitend verbunden sein.
Gemäß Fig. 1 befinden sich die beiden Anschlüsse 20, 21 der Erregerspule 2 auf gleichem Potential (-), so daß die Erregerspule 2 stromlos ist. Der Spulenkern 3 wird dann durch die Permanentmagnete 4, 5 magnetisch derart polarisiert, daß eine anziehende magnetische Wechselwirkung zwischen dem Spulenkern 3 und den Permanentmagneten 4, 5 besteht. Daher liegen beide Permanentmagnete 4, 5 mit ihrem dem Spulenkern 3 zugewandten Pol (N) an jeweils einer der Stirnseiten 31, 32 des Spulenkerns 3 an. Die an den Halteplatten 6, 7 befestigten Relaiskontakte 8 und 9 sind dann mit den stationären Lastkontakten 23 bzw. 24 in Kotakt, die sich beide auf negativem Potential (-) befinden. Dadurch sind auch die Relaiskontakte 8, 9 und die zugehörigen flexiblen Kupferlitzen 10, 11 auf gleiche Potential geschaltet und ein an die Kupferlitzen 10, 11 angeschlossener Verbraucher würde nicht bestromt.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen ebenfalls das Ausführungsbeispiel eines polarisierten Relais gemäß Fig. 1, wobei sich nun allerdings die Anschlüsse 20, 21 der Erregerspule 2 auf unterschiedlichen Potentialen befinden und die Erregerspule 2 von einem Gleichstrom durchflossen wird. Da der Aufbau des polariserten Relais bereits anhand von Fig. 1 detailliert beschrieben wurde, sind in den Figuren 2 und 3 der Übersichtlichkeit halber nur einige der Bauteile des polarisierten Relais mit Bezugszeichen versehen.
Gemäß Fig. 2 befindet sich der Anschluß 20 der Erregerspule 2 auf negativem (-) und deren Anschluß 21 auf positivem Potential (+). Die Erregerspule 2 wird dann von einem Strom derart durchflossen, daß die Stirnseite 31 des Spulenkerns als Nordpol (N) fungiert, während sich auf der anderen Stirnseite 32 ein Südpol (S) bildet. Da beide Permanentmagnete 4, 5 dem Spulenkern 3 mit ihrem Nordpol (N) zugewandt sind, bedeutet dies, daß der Permanentmagnet 4 von der Stirnseite 31 des Spulenkerns 3 abgestoßen wird. Dabei verharrt der Permanantmagnet 5 in seiner Position und seine Lage wird durch eine größere Anziehungskraft stabilisiert. Dadurch kommt der Relaiskontakt 8 mit dem Lastkontakt 22 in Kontakt und wird dementsprechend auf ein positives Potential (+) geschaltet. Der Relaiskontakt 9 bleibt demgegenüber auf seinem negativen Potential (-).
Aufgrund des durch die Bestromung der Erregerspule 2 ausgelösten Schaltvorganges befinden sich die beiden flexiblen Kupferlitzen 10 und 11 nun auf unterschiedlichen Potentialen (+) bzw. (-), so daß ein an diese Litzen angeschlossener Kommutatormotor veranlaßt würde, sich in eine bestimmte Richtung zu drehen.
Gemäß Fig. 3 ist an die Anschlüsse 20, 21 der Erregerspule 2 die zu Fig. 2 entgegengesetzte Spannung angelegt. Die Erregerspule 2 wird dann von einem Strom derart durchflossen, daß die Stirnseite 31 des Spulenkerns als Südpol (S) fungiert, während sich auf der anderen Stirnseite 32 ein Nordpol (N) bildet. Dies bedeutet, daß der Permanentmagnet 5 von der Stirnseite 32 des Spulenkerns 3 abgestoßen wird. Dadurch kommt der Relaiskontakt 9 mit dem Lastkontakt 25 in Kontakt und wird auf ein positives Potential (+) geschaltet. Der Relaiskontakt 8 wird demgegenüber auf ein negatives Potential (-) geschaltet, da der Permanentmagnet 4 von dem Spulenkern 3 magnetisch angezogen wird und daher mit seinem Nordpol (N) an der Stirnseite 31 des Spulenkerns 3 anliegt.
Die Potentialdifferenz zwischen den flexiblen Kupferlitzen 10, 11 ist entgegengesetzt zu dem vorhergehenden Fall gemäß Fig. 2 und ein an diese Litzen angeschlossener Kommutatormotor würde sich in die entgegengesetzte Richtung drehen.
In Fig. 4 wird die Steuervorrichtung eines Kommutatormotors gezeigt, bei der ein polarisiertes Relais 100 zur Steuerung des Motors verwendet wird und deren Bauteile platzsparend auf einer Leiterplatte 50 angeordnet sind. Diese kompakte Bauweise wird in erster Linie durch den besonders einfachen Aufbau des polarisierten Relais ermöglicht.
Die Leiterplatte 50, die etwa doppelt so lang wie breit ist, zerfällt in ihrer Längsrichtung im wesentlichen in zwei Abschnitte, von denen einer die Steuerelektronik 50 aufweist und der andere mit den Bürsten 52, 53 des Kommutatormotors sowie dem polarisierten Relais 100, mit dessen Hilfe die Bestromung der Bürsten 52, 53 gesteuert wird, versehen ist.
Die Steuerelektronik 51 umfaßt beispielsweise einen Mikroprozessor (µC) 61 und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 62. Die Bürsten 52, 53 des Kommutatormotors sind an Bürstenhaltern 58, 59 befestigt und ragen in eine Ausnehmung 57 der Leiterplatte 50 hinein, durch die der Kommutator 56 eines Kommutatormotors geführt ist. Mit Hilfe von Druckfedern 54, 55 werden die Bürsten 52, 53 federnd gegen den Kommutator 56 gedrückt.
Die klare konstruktive Trennung von Steuer- und Leistungsteil verringert die Gefahr von Störungen, welche durch elektromagnetische Felder verursacht werden können und erhöht somit die elektromagnetische Verträglichkeit des Systems.
Die Bürsten 52, 53 sind über flexible Kupferlitzen 10, 11 mit den an den Halteplatten 6, 7 befestigten Relaiskontakten 8, 9 verbunden. Das polarisierte Relais 100 ist unmittelbar an die Ausnehmung 57 angrenzend neben dem Kommutator 56 angeordnet und hat prinzipiell den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise wie das vorstehend anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebene Relais. Das Relais 100 unterscheidet sich von dem anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen lediglich dadurch, daß der Grundkörper 1, auf dem die Erregerspule 2 gewickelt ist, und der Spulenkern 3 eine derart gebogene Form aufweisen, daß die an die Ausnehmung 57 angrenzende äußere Kontur des Relais 100 zumindest in einem Abschnitt entlang der gekrümmten Wand der Ausnehmung 57 verläuft. Das Relais kann aufgrund seines einfachen Aufbaus und durch geeignete Formgebung der wenigen Bauteile, aus denen es besteht, problemlos auch an weitere räumliche Erfordernisse, beispielsweise einen abgerundeten Endabschnitt 65 der Leiterplatte 50 angepaßt werden.
Durch die Anpassung der Gestaltung des polarisierten Relais 100 an die Form der Ausnehmung 57 für den Kommutator 56 oder gegebenenfalls andere räumliche Erfordernisse läßt sich weiterer Platz einsparen. Zusammenfassend wird die sehr kompakte Ausbildung der Steuervorrichtung für den Kommutatormotor in erster Linie dadurch erreicht, daß das polarisierte Relais, mit dessen Hilfe der Kommutatormotor gesteuert wird, lediglich eine Erregerspule, einen Spulenkern und zwei Permanentmagnete umfaßt, wenn man einmal von den Relaiskontakten und ähnlichen sehr kleinen Bauteilen absieht.
Die Steuervorrichtung ermöglicht daher gegenüber dem Stand der Technik, wonach zwei Relais zur Steuerung eines Kommutatormotores auf einer Leiterplatte angeordnet sind, eine wesentliche Platz- und Kostenersparnis.
Die Funktion des Relais 100 bei der Steuerung der Bestromung der Bürsten 52, 53 und damit der Drehrichtung des Motores braucht hier nicht noch einmal erläutert zu werden, da sie bereits vorstehend anhand der Figuren 1 bis 3 detailliert dargestellt wurde. Im Zusammenhang mit Fig. 4 sei lediglich erwähnt, daß zur Steuerung der Eingangsspannung an der Erregerspule 2, durch die die Schaltvorgänge in dem polarisierten Relais 100 ausgelöst werden, die Steuerelektronik 51 dient.
Die Erfindung ist in ihrem Anwendungsbereich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch als Steuer-, Stell- und Antriebsvorrichtung für kleine mechanische, elektromechanische, hydraulische, pneumatische oder dgl. Stellvorrichtungen verwendet werden.