CN102484366B - 具有反接保护和过电压保护的电子换向电机和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机、尤其电子换向的电机。该电机具有定子和尤其永磁构成的转子。该电机也具有功率输出级，它在输出端与定子连接。该电机也具有与功率输出级连接的控制单元。该控制单元设计成，这样控制功率输出级，使定子可以产生用于定子旋转运动的磁旋转场。按照本发明所述电机具有保护单元，它设计成，根据电机的供电电压的错极使功率输出级或附加地使控制单元与供电电压分开。

Description

具有反接保护和过电压保护的电子换向电机和方法

技术领域

本发明涉及一个电机，尤其一个电子换向的电机。该电机具有定子和尤其永磁构成的转子。该电机也具有功率输出级，它在输出端与定子连接。该电机也具有与功率输出级连接的控制单元。该控制单元设计成，这样触发功率输出级，使定子可以产生用于定子旋转运动的磁旋转场。

由DE 199 41 489 A1已知一个用于串联电路的保护电路，包括功率半导体输出级和感应的消耗器，其中设有无载回路，它具有无载二极管和反接保护半导体开关，其中通过电荷泵这样控制反接保护半导体开关，在施加反接电压时使反接保护半导体开关接通在非导通状态，由此这个开关可以防止不期望的电流通过无载二极管流动。此外设计保护电路，其中在超过给定的电压值时（它导致无载回路不工作）产生用于保护电路的脉宽调制控制器的数字的断开信号。

由DE 41 37 452 A1已知一个用于功率输出级-场效应晶体管的反接保护结构，其中设有一个与功率输出级-场效应晶体管逆极的另一场效应晶体管作为反接保护部件。

发明内容

按照本发明上述形式的电机具有一个保护单元，它设计成，根据电机供电电压的错极使功率输出级或附加地使控制单元与供电电压分开。

通过保护单元可以有利地与保护单元无关地实现电机的功率输出级。也有利地可以使保护单元添加到现有的电机或现有电机的电路结构里面。也有利地可以通过保护单元不仅使功率输出级、而且也附加于功率输出级使控制单元或中间回路电容与供电电压-在错极情况下-分开。

在优选的实施例中所述保护单元设计成，根据电机的供电电压的过电压使功率输出级或附加地使控制单元与供电电压分开。通过这个实施例可以有利地通过保护单元保护功率输出级免受过电压，尤其无需附加的改型。

在电机的一种优选实施例中，电机具有至少与功率输出级并联的中间回路电容。在该实施例中构造保护单元，用于得到中间回路电容上的中间回路电压并使中间回路电容或附加地功率输出级与中间极电压无关地分开。

此外优选所述控制单元设置成，根据过电压和/或错极利用保护单元分开供电电压。

所述保护单元尤其可以与上述的供电电压、尤其汽车车载电源电压的电压监控无关地设计并布置，监控中间回路电压并且根据中间回路电压的过电压使功率输出级、控制单元或中间回路电容或它们的组合与供电电压分开。

所述供电电压或中间回路电压的过电压例如是超过给定的供电电压或中间回路电压的电压值。

在有利的实施例中所述保护单元设计成，根据中间回路电压的下降分开中间回路电容或附加地分开功率输出级。通过这个实施例可以有利地检测在电机中的短路或有缺陷的零部件。有缺陷的零部件例如可以是功率输出级的晶体管，或者中间回路电容本身。通过保护单元的这个实施例可以有利地防止在具有电子换向电机的汽车中着火。

在优选的实施例中所述中间回路电容是陶瓷电容。由此有利地可以使电机、尤其是电机控制单元的结构体积保持较小。也有利地可以使中间回路电容由陶瓷的电容构成，用于以供电电压、或者以例如5%或10%提高的供电电压储存电荷。所述中间回路电容有利地通过保护单元免受损伤或损坏。

在电机的优选实施例中所述保护单元具有优选通过电荷泵触发的、尤其作为发射跟随器接通的反接保护-场效应晶体管。该保护单元优选设计成，根据供电电压的极性、尤其在延迟时间后在与供电电压连接以后触发反接保护-场效应晶体管的栅极接头。在作为发射跟随器接通的场效应晶体管中源极终端对应于双极晶体管的发射极。通过电荷泵触发有利地起到可以可靠地导通反接保护-场效应晶体管的作用。

在优选的实施例中所述保护单元具有一个优选通过电荷泵触发的过电压保护-场效应晶体管。该保护单元设计成，根据供电电压的供电电压值或根据中间回路电压的中间回路电压值触发过电压保护-场效应晶体管的栅极-终端。通过保护单元的这个实施例可以有利地使功率输出级或附加地使中间回路电容与供电电压或中间回路电压在反接和/或供电电压过电压的情况下优选非电流地分开。

本发明还涉及一种用于电子换向的电机、例如上述电机的反接保护运行的方法。在用于反接保护运行的方法中根据电机的供电电压的极性、尤其在延迟时间后使电机的中间回路（优选包括电机的至少一个功率输出级）与供电电压连接。

在本方法的有利实施例中根据供电电压的电压值使电机的功率输出级与供电电压连接和/或保持与供电电压连接。由此有利地保护功率输出级免受过电压。

优选所述功率输出级在输入端通过中间回路电容缓冲并且根据供电电压的极性使中间回路电容与功率输出级一起连接或分开。在这个实施例中该中间回路包括中间回路电容。该中间回路还优选包括控制单元。

下面借助于附图和其它实施例描述本发明。由上述的特征、或者附加地由在附图描述中列举的特征、或其它附加地由在从属权利要求中列举的特征给出其它有利的实施例。

图1示出电子换向的电机与保护单元的实施例，它这样设计和设置，根据反接施加的供电电压和/或根据供电电压的过电压使功率输出级或附加地使电机的中间回路电容与供电电压、尤其非电流地分开。

图2示出用于电子换向的电机的保护单元的电路结构的、尤其用于在图1中所述的电机的在图1中所述的保护单元的实施例。

图3示出用于电子换向的电机、例如图1的电机运行的方法的实施例。

图1简示出电机1的实施例。该电机1具有定子3和转子5。该定子3具有三个定子线圈，即一个定子线圈10、一个定子线圈12和一个定子线圈14，它们共同这样设置，使它们相应受触发地可以产生用于转子5旋转运动的磁旋转场。

所述定子线圈10,12和14分别通过第二接头与星形接头15连接，并且分别通过第一接头与功率输出级16连接。该功率输出级16在输入端通过连接体42与控制单元18连接。该控制单元18在输入端通过连接导线40与电机1的保护单元20连接。该保护单元20通过正导线34与滤波器24连接。该滤波器24通过正导线33与车载电源26连接并且在那里与车载单元26的正极连接。所述滤波器24设计成，从正导线33流动的电流中滤掉干扰的交流分量并且通过正导线34发送过滤的电流到保护单元。为此该滤波器24例如通过从连接导线33到连接导线34起作用的-或者附加地在与其相反的方向上起作用的-低通滤波器构成。该保护单元20与大地接头30连接。该大地接头30也与车载电源26的负极连接。该保护单元20在输出端通过输出102并且通过正导线36与控制单元18并且与功率输出级16连接。该保护单元20以通过滤波器24从车载电源26接收的车载电源26的电流供给电控制单元18和功率输出级16。该保护单元20还设计成，在车载电源26的车载电压过电压的情况下，例如在超过给定的车载电压的电压值时，产生一个过电压信号并且将这个信号通过输出100并通过连接导线40发送到控制单元18。该控制单元18根据过电压信号可以保护运行的处理过程的数据和/或结果，并且接着尤其将控制单元18的对过电压敏感的元件与中间回路电压分开。

所述保护单元20还设计成，在车载电源26的车载电压过电压的情况下使输出102并由此使正导线36与正导线34分开，由此在分开正导线34与36的情况下没有电流从正导线34流到正导线36。因此可以有效地保护中间回路，包括连接在正导线36上的元件。

所述保护单元20还设计成，在反接施加车载电源26的车载电压的情况下使正导线34与正导线36分开。该保护单元20还设计成，在正确施加车载电源26的车载电压的情况下使正导线34与正导线36连接。

所述电机1也具有中间回路电容22。该中间回路电容22通过第一接头与正导线36连接并且通过第二接头与大地接头30通过接地导线32连接。所述控制单元18和功率输出级16分别与大地接头30通过接地导线32连接。

为此所述保护单元20例如还可以有利地设计成，-附加地或者与检测车载电源26的车载电压无关地-检测中间回路的电压、尤其在中间回路电容22上下降的电压。这有利地导致，在中间回路电容22短路的情况下可以使控制单元18与功率输出级16与车载电源26分开。为此保护单元20例如可以设计成，检测中间回路电压，并且根据超过给定的中间回路电压值使中间回路与车载电源26分开。

在这个实施例中分开意味着中断车载电源26与中间回路之间的电流。分开也可能意味着，使中间回路与车载电源在电流上分开。

所述控制单元18例如可以通过微处理器、微控制器或FPGA（FPGA=现场可编程门阵列）构成。

图2示出用于保护单元、例如在图1中已经示出的保护单元20的电路结构的实施例。在图2中示出的保护单元20具有电荷泵50。该电荷泵50在这个实施例中具有半波倍压电路，它设计成，使在输入端接收的电压倍增并且将在输入端倍增的接收的电压在输出端输出。在这个实施例中在输出侧电荷泵50具有齐纳二极管52，它设计成，限制由电荷泵50利用半波倍压电路产生的输出电压。该电荷泵50具有用于接收节拍信号60的输入55。该节拍信号60是周期构成的节拍信号，它在这个实施例中是矩形信号。利用节拍信号60通过电阻触发NPN晶体管的控制终端。利用NPN晶体管的断路间隔触发PNP晶体管的控制终端，它以节拍信号60的节拍或者以大地电位或者以连接节点89的电压加载半波倍压电路的电容53。

所述电荷泵50也具有第二电容54，它储存利用半波倍压电路倍增的中间回路电压。利用电容54倍增的连接节点89的电压利用齐纳二极管52限制。该齐纳二极管52具有阴极接头，它与连接节点88连接。该齐纳二极管52也具有阳极接头，它与连接节点89连接。

所述保护单元20也具有PNP晶体管，它与控制接头通过电阻64与连接节点88连接。

所述晶体管62的发射接头也与连接节点88连接。该晶体管62的集电极接头与连接节点89连接。该晶体管62的控制终端通过电阻65与NPN晶体管的集电极连接，该晶体管通过其发射极与大地接头30连接。

所述晶体管90是过电压保护单元51的组成部分，它设计成，使晶体管62通过电阻65根据中间回路的过电压接通或截止。即，当利用晶体管90通过电阻65并通过电阻64-它们一起形成升压器-接通电流时，则晶体管62导通并因此使由电荷泵50产生的电压在场效应晶体管70和72的源极与栅极之间短路。

所述连接节点88通过二极管66并且还通过电阻68与电源、例如在图1中已示的车载电源26的车载电压的正极80连接。二极管66的阴极指向连接节点88。该二极管66防止比电源电压电位更高的在连接节点88上的电位与接头80上的电源电压电位短路。

所述保护单元20具有场效应晶体管70和场效应晶体管72。场效应晶体管70具有控制接头，其中该控制接头与连接节点88连接。场效应晶体管70的源极与连接节点86连接，它与连接节点89一起具有相同电位。

场效应晶体管70的漏极接头与电源电压的接头80连接。当极性正确地施加电源电压时，则电荷泵50的输出电压位于连接节点88与连接节点86之间。然后场效应晶体管70可以导通并且使接头80的正电位连接到连接节点86上。

场效应晶体管72通过源极与连接节点86连接并且通过漏极接头与输出102连接。该输出102例如可以以中间回路电压给在图1中所示的中间回路和那里的正导线36供电。

场效应晶体管72的控制接头与连接节点88连接。因此不仅场效应晶体管70而且场效应晶体管72利用由电荷泵50产生的电位导通。在此场效应晶体管72具有过电压方面的保护功能，并且可以在过电压情况下使输出102与连接在输出102上的中间回路分开。即，当在过电压情况下导通晶体管62时，由此使连接节点88与连接节点86低欧姆连接或者短路，由此也使场效应晶体管72的控制接头与场效应晶体管72的源极连接并且不再能导通。

当错误极性地施加电源电压时，则二极管66截止，由此场效应晶体管70的控制接头不能使场效应晶体管70导通。在施加反接电源电压的情况下电荷泵50不产生输出电压。当极性正确地施加电源电压时，则至少电源电压的正极、即接头80-通过二极管66转换-的电位施加在连接节点88上并由此也施加在场效应晶体管70和72的控制接头上。当接通时间区间过后、例如至少10毫秒过后电荷泵50工作，并且使电容54充分充电，由此继续提高连接节点88上的正电位。

其导致，可以使场效应晶体管70和72分别完全导通。

所述过电压保护单元51的晶体管90通过其控制接头与由电阻96和97构成的升压器的中间接头连接。该电阻97使晶体管90的控制接头与大地接头30连接，电阻96使晶体管90的控制接头与齐纳二极管94的阳极接头连接。齐纳二极管94的阴极接头与导引中间回路电位的接头82连接。

齐纳二极管94的阳极接头通过电阻99与大地接头30连接。齐纳二极管94的阳极接头也通过前电阻98与NPN晶体管92的控制接头连接。该NPN晶体管92通过其发射极与大地接头30连接并且通过其集电极与输出100连接。输出100例如可以与在图1中所示的连接导线40连接。当在接头82上的中间回路电压超过齐纳二极管94的齐纳电压时，则可以导通晶体管90并且通过晶体管62截止场效应晶体管72。随着齐纳断开以后通过齐纳二极管94流动的电流也使电压在电阻99上下降，利用它可以使晶体管92通过前电阻98导通。

导通的晶体管92使输出100拉到大地接头30的大地电位上。由此在输出100上产生代表过压的过压信号，它例如在图1中通过连接导线40发送到控制单元18上。接头84导引图1中的控制单元18的运行电压的电位例如到微控制器。接头18通过电阻与输出100连接。该输出100通过电容与大地接头30连接。由此可以使输出100在晶体管92截止的情况下导引接头84的电位。

图3简示出用于电子换向的电机、例如在图1中所示的电子换向的电机1运行的方法的实施例。在该方法中在步骤110中在电机上施加电源电压。在步骤112中检测电机的电源电压的极性并且根据电源电压的极性-在错极的情况下-在另一步骤116中使电机与电源电压分开。

在施加正确极性的电源电压的情况下在另一步骤114中检测电机的中间回路电压的电压值。在超过给定的中间回路电压值的情况下-即在过电压情况下-在步骤116中使电机不与电源电压连接，或者使已经连接的电机与电源电压分开。在低于或等于给定的中间回路电压值的情况下在步骤118使电机、尤其功率输出级、中间回路电容和电机的控制单元尤其在延迟时间以后与电源电压连接。

在方法步骤120中电机定子为了产生磁旋转场通电并由此使电机转子置于旋转运动。如同通过步骤120与110之间和步骤116与110之间的虚线连接表示的那样，可以时间上连续地或者跟随控制节拍地在步骤110重新开始本方法。

Claims (8)

1.电子换向的电机（1），其具有定子（3）和转子（5），并且具有输出端与定子（3）连接的功率输出级（16）和与功率输出级（16）连接的控制单元（18），其中设计该控制单元（18），来触发功率输出级（16），使定子（3）可以产生用于转子旋转运动的旋转磁场，其特征在于，所述电机（1）具有保护单元（20），它设计成，根据电机（1）的供电电压（26,33,34,80）的错极使功率输出级（16）或附加地使控制单元（18）与供电电压（26,33,34,80）分开，所述保护单元（20）设计成，根据电机（1）的供电电压（80）的过电压使功率输出级（16）或附加地使控制单元（18）与供电电压（26,33,34,80）分开。

2.如权利要求1所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述电机（1）具有至少一个与功率输出级（16）并联的中间回路电容（22）并且所述保护单元（22）设计成并设置成，检测施加在中间回路电容（22）上的中间回路电压并且根据中间回路电压分开中间回路电容（22）或附加地分开功率输出级（16）。

3.如权利要求2所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述保护单元（120）设计成并设置成，根据中间回路电压的下降分开中间回路电容（22）或附加地分开功率输出级（16）。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述控制单元（18）设置成，根据过电压和/或错极利用保护单元（20）与供电电压（26,33,34,80）分开。

5.如权利要求2或3所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述中间回路电容（22）是陶瓷电容。

6.如权利要求1至3中任一项所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述保护单元（20）具有通过电荷泵（50）触发的反接保护-场效应晶体管并且设计成，根据供电电压（80）的极性触发反接保护-场效应晶体管（70）的栅极接头。

7.如权利要求1至3中任一项所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述保护单元具有通过电荷泵触发的过电压保护-场效应晶体管（72）并且设计成，根据供电电压（26,80）的供电电压值或根据中间回路电压（82,36）的中间回路电压值触发过电压保护-场效应晶体管（72）的栅极接头。

8.如权利要求1所述的电子换向的电机（1），其特征在于，所述转子（5）是永磁构成的。