CN102696088B - 电气部件以及用于控制电气部件的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明，具有一个磁芯（52）、围绕该磁芯设置的第一以及第二绕组（L₁,R₁,L₂,R₂）的一种电气部件如此被控制，使得该第一绕组（L₁,R₁）在断开该第二绕组（L₂,R₂）时通过一个卸除回路（53）被短路，以卸除该第二绕组的电感性负载。

Description

电气部件以及用于控制电气部件的方法

现有技术

本发明涉及具有电感性负载比如电磁铁、继电器或变压器的电气部件领域。

这样的电气部件具有设置于磁芯上的绕组。一种非常高电感性负载的例子是机动车内燃机启动机或起动器的开关继电器和接合继电器（Einrueckrelais）。

在此，图1示出了按照现有技术的电气部件11的第一实施例的示意图。该部件11具有绕组L₂、R₂，其围绕磁芯12来设置。出于简明的目的以及为了使附图与下文的等式相一致，在附图中当前所示的许多部件都通过其特征值来表示。比如绕组L₂、R₂通过其电感L₂和其电阻R₂来参照。

另外该电气部件11还具有一个开关S₂，以开关该绕组L₂、R₂。在借助该开关S₂断开该绕组L₂、R₂时，在该开关S₂上下降一个开关电压U_S2。如果如在图1中在断开时不采取措施以卸除（Loeschen）绕组L₂、R₂的电感性负载，那么在断开时的电位U_S2就继续下降，使得在那里要么产生电弧，要么产生雪崩击穿。

作为对此的等效电路图，图2示出了根据本发明的电气部件21的第二例子的示意图。该电气部件21如在图1中一样具有围绕磁芯22的绕组L₂、R₂和开关S₂。为了表明参照图1所解释的电弧效应或者雪崩击穿效应，在图2中示出了一个齐纳二极管D_av。另外在图2中该参考符号P_V示出了在断开该开关S₂时的击穿功率。该击穿效应通常对于开关性部件21是非常有害的，并可能导致其毁坏。因此设置有保护电路。

对此，图3示出了按照现有技术的一种电气部件31的一个第三例子的示意图。该电气部件31如同图1和2的电气部件11和21一样来构造，并因此具有围绕磁芯32的绕组L₂、R₂和开关S₂。在此该电气部件31也具有利用图2所述的齐纳二极管D_av。保护电路的一种形式是在图3中所示的自振荡极管33。该自振荡极管33为了提高卸除电压还与一个齐纳二极管D_loesch相串联。该齐纳电压越高，该电感性负载的能量越能够迅速地被去除。当然该二极管电压和该齐纳二极管电压下降之和必须小于该开关S₂的击穿电压，否则有可能损坏该部件31。

另外诸如继电器、电磁铁或变压器的这些部件在能量高和断开时间短的情况下必定可能承受非常高的损耗功率。如果经常进行开关过程，那么这是尤其苛刻的。经常进行开关过程的一个例子是该电气部件的时钟化控制或受调节的控制。

如果首先比如在送入磁铁时应该流过一个高的送入电流，或者应该流过一个高的接通电流，该电流稍后比如在保持磁铁时应该下降，那么这种借助两点调节或脉宽调制而进行的受调节或受电流调节的控制比如就可以被采用。在接通时应该被全导通，相反在保持时进行交替的开关过程。实现这种行为的另一种常规可能是，划分为接通绕组和保持绕组。为此，图4示出了按照现有技术的电气部件41的一个第四实施例的示意图。在此该电气部件41具有两个绕组L₁、R₁和L₂、R₂，其围绕在一个共同的磁芯42上。为了开关该第一绕组L₁、R₁而设置了第一开关S₁。类似地为了开关该第二绕组L₂、R₂而设置了第二开关S₂。在该开关S₁ 和S₂上在开关过程时所下降的电压用U_S1和U_S2来表示。比如该第一绕组L₁、R₁可以作为保持绕组来构造。那么该第二绕组L₂、R₂就可以作为接通绕组来构造。在此该接通绕组L₂、R₂如此来设置，使得实现了该接通绕组L₂、R₂所需的以典型相对高电流的迅速接通。然后可以切换到该保持绕组L₁、R₂，该保持绕组具有明显较小的电流需求（R₁        >>R₂）。如在图4中所示的这种部件比如在常规的启动继电器中是已知的。

另外还把电容器用作快速卸除元件或存储元件。从而一方面能够快速地从磁路提取能量，另一方面可以提供能量以在接通时在短时的响应时间内进行升压。

因为电感性负载在确定的情况下可能存储有非常高的能量量，比如启动继电器达到1焦耳的范围，所以保护电路的耗费和成本可能变得相对高。

本发明的公开

本发明所基于的知识是，工作绕组在断开时所产生的电感性负载可以以简单的方式并造价合理地通过具有附加绕组的卸除回路而被卸除。在此该附加绕组或卸除绕组可以如工作线圈一样缠绕或设置在同一磁芯上，尤其铁磁芯上。

断开工作绕组的时间点触发该卸除回路的接通，并从而激活该卸除绕组以卸除该工作线圈的电感性负载。

因此推荐了一种电气部件，其具有磁芯、第一绕组和第二绕组。在此该第一绕组以及该第二绕组都围绕该磁芯设置、尤其缠绕。该第二绕组可以借助开关而被接通和断开。在借助该开关断开该第二绕组时，该第一绕组通过一个卸除回路而被短路以卸除该第二绕组的电感性负载。从而该第一绕组用作第二绕组的卸除绕组，该第二绕组优选作为该电气部件的工作绕组来构造。

此外还推荐了用于机动车的启动器或启动系统，其具有如上所述的电气部件。该启动系统另外还可以包含启动电动机。

另外还推荐了用于控制电气部件的方法，其中该电气部件具有磁芯、围绕该磁芯而设置的第一绕组、围绕该磁芯而设置的第二绕组以及用于接通和断开该第二绕组的开关，该方法具有通过卸除回路对该第一绕组短路的步骤，以在断开该第二绕组时来卸除该第二绕组的电感性负载。

在从属权利要求中有如在权利要求1中所述的电气部件的有利改进和扩展。

根据一个优选的改进，该第二绕组作为该电气部件的工作绕组来构造。该第一绕组作为用于卸除该工作绕组的电感性负载的卸除绕组来构造。从而该第一绕组能够以简单而造价合理的方式来卸除该工作绕组（第二绕组）的电感性负载。从而有利地不需要为该部件设置另一自己的保护电路。

根据另一优选的改进，该卸除回路作为短路回路来构造，其由第一绕组和闭合电阻组成的串联电路构成。该第一绕组具有确定的匝数、确定的电感和确定的电阻。该卸除回路作为短路回路的这种构造是用于卸除该第二绕组电感性负载的一种非常简单的电路技术解决方案。

根据另一优选的改进，该第一绕组作为与第二绕组分离构造的无功绕组（Blindwicklung）而设置在该电气部件的共同磁芯上。从而本发明的卸除回路的这种改进仅需要两个额外的元件，也即该卸除绕组和该闭合电阻。

根据另一优选的改进，该卸除回路作为该第一绕组与闭合电阻的并联电路而构造在用于开关该第一绕组的另一开关与地之间。

通过使用所述另一开关，能够有利地也把该第一绕组作为工作绕组来运行。在此该第一绕组优选地适于在借助所述另一开关进行接通时来作为工作绕组来工作。

优选地所述另一开关设置用于在借助该第二绕组的开关断开该第二绕组时来接通该第一绕组。

下面来详细解释本发明的电气部件的工作原理。在本说明以及本权利申请的意义上，R₁表示该第一绕组的电阻，L₁表示该第一绕组的电感，n₁表示该第一绕组的匝数，R₂表示该第二绕组的电阻，n₂表示该第二绕组的匝数，L₂表示该第二绕组的电感，R_K表示该卸除电路的闭合电阻，U_V表示该电气部件的供电电压，U_av表示该第二绕组的开关S₂的击穿电压，I₂表示流过该第二绕组L₂、R₂的电阻R₂的电流。

在此在该第一和第二绕组的电阻R₁、R₂和匝数n₁、n₂之间的比优选地根据施加在该电气部件上的供电电压V_V和该第二绕组的开关S₂的击穿电压U_av如此来调节，使得该击穿电压U_av小于在供电电压V_V与在开关过程中在开关S₂上降落的开关电压U_S2之间的电压差。磁芯中的磁通Φ在断开的小时间段内保持恒定。因此在断开之前I₁=0并且I₂≠0：

在开关S₂断开之后变成I₂=0，并从而：

在由L₁、R₁+R_K组成的卸除回路中从而该电流I₁以衰减时间常数τ=L₁/(R_K+R₁)下降：

直接在断开之后电流消耗为最大：

为了把全部能量卸除到该卸除回路中，在U_V和U_S2之间的电压差不允许超过该击穿电压的值U_av（该开关S₂的电弧电压或雪崩电压）：

利用等式（4）和（3）得到了直接在断开之后的如下卸除条件：

或

其中。

根据另一优选的改进，该电气部件作为电磁铁、继电器或变压器来构造。比如对于继电器是机动车启动器的开关继电器或接合继电器。

根据另一优选的改进，各个开关作为场效应晶体管（FET）来构造。

本发明的其他实施例在附图中示出，并在下文说明中来更详细解释。其中：

图1示出了按照现有技术的一种电气部件的第一例子的示意图，

图2示出了按照现有技术的一种电气部件的第二例子的示意图，

图3示出了按照现有技术的一种电气部件的第三例子的示意图，

图4示出了按照现有技术的一种电气部件的第四例子的示意图，

图5示出了根据本发明的部件的第一实施例的示意图，

图6示出了根据本发明的部件的第二实施例的示意图，

图7示出了根据本发明的部件的第三实施例的示意图，

图8示出了根据本发明的部件的第四实施例的示意图，

图9示出了根据本发明的图5的电气部件的示意等效电路图，

图10示出了根据本发明的图6的电气部件的示意等效电路图，

图11、12示出了常规电气部件的示意等效电路图，

图13-16示出了具有额外示出电感的图9-12的示意等效电路图，

图17示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的测量例子，

图18示出了仿真的与图17相对应的一个例子，

图19示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的击穿功率的一个仿真例子，

图20示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的在卸除条件边界上击穿功率的一个仿真例子，

图21示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的在较大供电电压时击穿功率的一个仿真例子，

图22示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的在较大供电电压时卸除边界的一个仿真例子，

图23示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的超出的卸除边界的一个仿真例子，

图24示出了根据本发明的用于控制电气部件的一个实施例的流程图。

在图5中示出了根据本发明的电气部件51的第一实施例的示意图。该电气部件51具有磁芯52、围绕该磁芯52设置的第一绕组L₁、R₁以及围绕该磁芯设置的第二绕组L₂、R₂。该第二绕组L₂、R₂可以借助一个开关S₂来接通和断开。在该电气部件51上施加有供电电压U_v。在断开该第二绕组L₂、R₂时，在该开关S₂上降落开关电压U_S2。

此外该电气部件51还具有卸除回路53，其由该第一绕组的电感L₁、该第一绕组的电阻R₁和闭合电阻R_K组成。从而在借助该开关S₂断开该第二绕组L₂、R₂时，该第一绕组L₁、R₂通过该卸除回路53被短路，以卸除该第二绕组L₂、R₂的电感性负载。

在图6中所示的具有磁芯62、第一绕组L₁、R₁和第二绕组L₂、R₂的电气部件61与图5的实施例不同之处在于该卸除回路的构造以及其中设置有另一开关S₁。图6的该卸除回路63作为该第一绕组L₁、R₁和该闭合电阻R_K的并联电路而构造在用于开关该第一绕组L₁、R₁的所述另一开关S₁与地之间。从而该第一绕组L₁、R₁不仅用作该第二绕L₂、R₂的卸除绕组，而且还用作独立的工作绕组。

此外图7示出了电气部件71，其中所述另一工作绕组L₁、R₁通过该并联电阻R_K而作为卸除绕组来工作。在此，图7的电气部件71的卸除回路73由R₁、L₁和R_K来构造。

图8的实施例相反与图7的实施例不同之处在于，在该电气部件81中相对于电气部件71还示出了附加的电感L_1p和L_2p。所述附加电感L_1p和L_2p体现了在实际中由于漏磁通和所存在的导线而产生的电感。

图9示出了根据本发明的图5的部件51的示意等效电路图。在此图9的电气部件91对应于图5的电气部件51，其中绘制了齐纳二极管D_av作为在该开关S₂上所出现的击穿电压的反映。该击穿功率用P_v来表示。

另外图10示出了根据本发明的图6的电气部件的部件101的示意等效电路图。对应于图9而绘制了齐纳二极管D_av和D_loesch。

此外图10的部件101还具有一个自振荡极管104。另外图10还示出了一个等效电路图，其具有该第一绕组R₁、L₁和R₂、L₂的并联卸除电路103。

为了对此进行比较，图11和12示出了常规电气部件111和112的示意等效电路图，其中在开关过程中在相应齐纳二极管D_av上相应出现了击穿电压P_v。

图13-16示出了图9-12的具有附加绘制的电感L_1p和L_2p的示意等效电路图，其尤其体现了实际所存在的线路电感。在此图13-16示出了由于所出现的寄生电感L_1p和L_2p而对上述卸除条件的进行变动的可能性。

在图17中示出了用于把图10的本发明部件的等效电路图与图12的常规部件的等效电路图相比较的一个测量例子。图17具体示出了启动继电器的测量例子，其具有双绕组的单独控制的绕组。在具有卸除绕组的上面（图10的区域中）以及不具有卸除绕组的下面（图12的区域中）记录了在自振荡路径中的电流、电压和损耗功率。该自振荡极管104及124（见图10和12）的卸除功率在具有卸除绕组时仅仅是微小的。从而示出了该卸除绕组R₂、L₂的效果。在没有自振荡的情况下该击穿电压V_av是较高的，并且它可完全通过该卸除绕组L₁、R₂而被卸除。

对于图17如下地选择值：U_v=1.5V，R₁=1.4Ω，n₁=110，R₂=2.8Ω，n₂=150，R_K=0，U_d=0.7V。

在图18中示出了具有附加齐纳二极管的一个相应的仿真例子。由此还可以增大闭合电阻或短路电阻R_K。

另外图19示出了按照图10的具有卸除绕组的以及按照图12的不具有卸除绕组的击穿功率的一个仿真例子。参照图12所示的虚线而示出，在没有卸除路径的情况下出现了电弧电压或雪崩电压。此外图19还示出，该击穿电压V_av越高，该卸除路径的效果越好，因为通过较高的击穿电压V_av该卸除绕组在图10中相对于图19在没有自振荡路径的情况下而非常有效地工作。仅仅需要卸除在开关S₂上的具有微小能量的寄生电感。

对于图19如下地选择值：U_v=1.5V，R₁=1.4Ω，n₁=110，R₂=2.8Ω，n₂=150，R_K=1Ω，U_av=50V。

图20示出了在卸除条件边界上击穿电压的一个仿真例子。在此图20示出，通过较高的击穿电压，该衰减时间常数τ=L₁/(R_K+r1)可被缩小。在此这里针对卸除的极限情况主要通过该卸除绕组来体现。

对于图20如下地选择值：U_v=1.5V，R₁=1.4Ω，n₁=110，R₂=2.8Ω，n₂=150，R_K=10Ω，U_av=50V。

另外图21示出了在较大供电电压V_v情况下击穿功率的一个仿真例子。在此图21尤其示出，随着供电电压V_v的增大，该衰减时间常数τ必定变大。那么就完全通过该卸除绕组而被卸除。

对于图21如下地选择值：U_v=12.5V，R₁=1.4Ω，n₁=110，R₂=2.8Ω，n₂=150，R_K=1Ω，U_av=50V。

另外图22示出了在较大供电电压下卸除界限的一个仿真例子。在该极限情况下主要通过该卸除绕组来卸除。

对于图22如下地选择值：U_v=12.5V，R₁=1.4Ω，n₁=110，R₂=2.8Ω，n₂=150，R_K=5Ω，U_av=50V。从而得到R_K的计算值<4.76Ω。

图23示出了超出卸除界限的一个仿真例子。在此图23具体示出，在卸除回路中闭合电阻R_K继续增大的情况下，衰减时间常数没有继续缩小，卸除效果被削弱。也就是说，在闭合电阻R_K太大的情况下，可以把时间常数τ选择为太小，使得在开关S₂上可以进行击穿。

对于图23如下地选择值：U_v=12.5V，R₁=1.4Ω，n₁=110，R₂=2.8Ω，n₂=150，R_K=10Ω，U_av=50V。

图24示出了用于控制电气部件51的本发明方法的一个实施例的示意流程图。图24的实施例具有方法步骤241和242，并参照图5来解释：

方法步骤241：

提供一个电气部件51，其具有磁芯52、第一绕组L₁、R₁、第二绕组L₂、R₂、以及用于接通和断开该第二绕组L₂、R₂的开关S₂。

方法步骤242：

该第一绕组L₁、R₁在该第二绕组L₂、R₂断开时通过卸除回路53而被短路，以卸除该第二绕组L₂、R₂的电感性负载。

Claims (13)

1.电气部件（51，101，131，141），具有：

磁芯（52，102，132，142）、围绕该磁芯（52，102，132，142）设置的第一绕组（L₁,R₁）以及围绕该磁芯（52，102，132，142）设置的第二绕组（L₂,R₂），其中该第二绕组（L₂,R₂）能借助开关（S₂）而被开关，

其中该第一绕组（L₁,R₁）在断开该第二绕组（L₂,R₂）时能通过一个卸除回路而被短路，以卸除该第二绕组（L₂,R₂）的电感性负载，

其中该卸除回路作为短路回路来构造，该短路回路由该第一绕组（L₁,R₁）和闭合电阻（R_K）的串联电路组成，该第一绕组（L₁,R₁）具有确定的匝数（n₁），具有确定的电感（L₁）并具有确定的电阻（R₁）。

2.根据权利要求1所述的部件，其中该第二绕组（L₂,R₂）作为该部件的工作绕组来构造，并且该第一绕组（L₁,R₁）作为卸除绕组来构造，以卸除该第二绕组（L₂,R₂）的电感性负载。

3.根据前述权利要求之一所述的部件，其中该第一绕组（L₁,R₁）作为与该第二绕组（L₂,R₂）分离构造的无功绕组而设置在共同的磁芯（52，102，132，142）上。

4.根据权利要求1或2所述的部件，其中该卸除回路作为该第一绕组（L₁,R₂）和闭合电阻（R_K）的并联电路而构造在用于开关该第一绕组（L₁,R₂）的另一开关（S₁）与地之间。

5.根据权利要求4所述的部件，其中所述另一开关（S₁）设置用于在借助该开关（S₂）断开该第二绕组（L₂,R₂）时来接通该第一绕组（L₁,R₁）。

6.根据权利要求4所述的部件，其中该第一绕组（L₁,R₁）在借助所述另一开关（S₁）接通时作为工作绕组来工作。

7.根据权利要求1或2所述的部件，其中在第一和第二绕组（L₁,R₁；L₂,R₂）的电阻（R₁,R₂）和匝数（n₁,n₂）之间的比根据施加在该电气部件上的供电电压（V_v）和该第二绕组（L₂,R₂）的开关（S₂）的击穿电压（U_av）来调节，使得该击穿电压（U_av）小于在该供电电压（V_v）与在开关过程中在该开关（S₂）上降落的开关电压（U_S2）之间的电压差。

8.根据权利要求7所述的部件，其中该比值满足以下的条件：

其中R₁表示该第一绕组（L₁,R₁）的电阻，n₁表示该第一绕组（L₁,R₁）的匝数，n₂表示该第二绕组（L₂,R₂）的匝数，R_K表示该卸除回路的闭合电阻，U_V表示该供电电压，U_av表示该第二绕组（L₂,R₂）的开关（S₂）的击穿电压，以及I₂表示流过该第二绕组（L₂,R₂）的电阻（R₂）的电流。

9.根据权利要求1或2所述的部件，其中该部件作为电磁铁、作为继电器或者作为变压器来构造。

10.根据权利要求9所述的部件，其中该部件作为开关继电器和接合继电器来构造。

11.根据权利要求1或2所述的部件，其中各开关（S₁,S₂）作为场效应晶体管来构造。

12.机动车的启动器，具有：

根据前述权利要求之一所述的电气部件（51，101，131，141）。

13.用于控制电气部件（51，101，131，141）的方法，其中该电气部件（51，101，131，141）具有磁芯（52，102，132，142）、围绕该磁芯（52，102，132，142）设置的第一绕组（L₁,R₁）、围绕该磁芯（52，102，132，142）设置的第二绕组（L₂,R₂）、以及用于开关该第二绕组（S₂-）的开关（S₂-），该方法具有：

在断开该第二绕组（L₂,R₂）时通过一个卸除回路来短路该第一绕组（L₁,R₂）以卸除该第二绕组（L₂,R₂）的电感性负载。