CN113168974A - 用于电气开关的开关驱动器的电机设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电气开关的开关驱动器(10)的电机设备(12)，具有电动机(14)和用于控制电动机(14)的控制设备(16)，其中，控制设备(16)具有‑用于向电动机(14)供应电能的能量供应装置(34)和‑控制单元(36)，该能量供应装置具有‑整流器单元(40)、‑用于检测供应电压或整流器单元(40)的整流器输出电压的电压测量单元(44)和‑用于从供应电压或从整流器输出电压产生用于电动机(14)的驱动电压的开关单元(46)，该控制单元用于依据所检测的供应电压或整流器输出电压来控制开关单元(46)。规定了，电机设备(12)具有电机壳体(38)，电机壳体除了电动机(14)以外还封装有能量供应装置(34)的至少一部分和/或控制单元(36)的至少一部分。

Description

用于电气开关的开关驱动器的电机设备

技术领域

本发明涉及一种用于电气开关的开关驱动器的电机设备，具有电动机和用于控制电动机的控制设备，其中，控制设备具有：

用于向电动机供应电能的能量供应装置，具有

-整流器单元，

-电压测量单元，用于检测供应电压或整流器单元的整流器输出电压，和

-开关单元，用于从供应电压或从整流器输出电压产生用于电动机的驱动电压，以及

控制单元，用于依据所检测的供应电压或整流器输出电压来控制开关单元。

背景技术

用于闭合或断开中和高的电压和电流的电流路径的电气开关需要大的机械能，用以运动开关的开关触点。

例如，存储机械能的开关驱动器、例如弹簧储能驱动器通常用于运动断路器的开关触点。在弹簧储能驱动器中，弹簧、例如螺旋弹簧通常借助电动机经由传动装置张紧。弹簧被锁定以防自动的松弛，从而使能量保持存储在弹簧中。通过触发设备可以以如下方式释放存储的能量，即松开弹簧的锁定，从而使弹簧松弛。因此，可以利用可用的存储的能量实施开关操作。

与断路器不同地，隔离开关以如下方式引起近似无负载的电路的定义的中断，即开关触点直接例如由电机驱动。在此弃用对能量的存储，因为可以较慢地进行开关触点的无负载的(无功率的)隔离。

用于电气开关的开关驱动器的电动机的供应电压由于规范的预设和应用要求是多种多样的，并且除了电压水平以外还在电压形式中有所不同，电压形式例如可以是单相的或三相的交流电压或直流电压。因此，对于电气开关的开关驱动器使用不同的电机类型和实施方案。通过多个构件和布线变型方案实现用于电机的控制、保护、锁定和监控功能。构件和布线改变会提高成本和电机的安装的错误率。

文献DE 10 2016 218 334 A1示出了一种用于前面描述的电气开关的开关驱动器的电机设备。电机设备包括无刷的电动机和用于控制电动机的电子控制设备，控制设备本身包括：(i)整流器单元，用于当供应电压是交流电压时对电机设备的供应电压进行整流，并且用于当供应电压是直流电压时提供反极性保护，(ii)电压测量单元，用于检测整流器单元的整流器输出电压，(iii)开关单元，用于从整流器单元的整流器输出电压产生用于电动机的脉宽调制驱动交流电压，和(iv)控制单元，用于依据所检测的整流器输出电压来控制开关单元。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于电气开关的开关驱动器的电机设备，其可以紧凑且简单地操作。

根据本发明，上述技术问题通过权利要求1的特征来解决。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在根据本发明的用于电气开关的开关驱动器的电机设备中，电机设备包括电动机和用于控制电动机的控制设备，其中，控制设备本身具有用于向电动机供应电能的能量供应装置和控制单元，该能量供应装置具有(a)整流器单元、(b)用于检测供应电压或整流器单元的整流器输出电压的电压测量单元和(c)用于从供应电压或从整流器输出电压产生用于电动机的驱动电压的开关单元，该控制单元用于依据所检测的供应电压或整流器输出电压来控制开关单元，规定了：电机设备还具有电机壳体，电机壳体除了电动机以外还封装有能量供应装置的至少一部分和/或控制单元的至少一部分。产生紧凑的结构方式，其中，部件中的至少一些概括为一个模块，并且共同通过电机壳体被封装。在此优选地，电动机和能量供应装置以及控制单元被电机壳体封装。电动机既可以是直流电机，也可以是交流电机、例如三相电机。在此提到的在构建能量供应装置时的替换方案尤其涉及直流电机。能量供应装置是一种用于电动机的电源件。

这种电机设备可以有利地以不同的供应电压运行，其中，供应电压可能在其幅度和/或电压形式方面有所不同。整流器单元能够以如下方式实现利用单相或多相的供应交流电压和任意极性的供应直流电压的选择性的运行，即整流器单元对供应交流电压进行整流，并且为供应直流电压提供反极性保护。从预设的供应电压产生用于电动机的驱动直流电压能够实现，使用于电动机的驱动直流电压匹配于相应的供应电压以及匹配于要驱动的构件的要求。由此实现电机设备与供应电压的幅度和形式以及要驱动的构件的尽可能的独立性，从而电机设备可以被用于不同的电气开关的开关驱动器，例如以用于张紧断路器的弹簧储能驱动器的弹簧，或以用于直接驱动隔离开关的开关触点。尤其可以有利地减少用于不同的开关的电机变型的数量。替代不同的电动机，将可利用直流电流运行的电动机用于不同的开关。此外，本发明有利地降低了在事后调整供应电压时的改变开销。在制造技术方面，尤其取消了用于监控和控制电动机的不同的电气部件的安装和布线。通过与之相伴的标准化还减少了在制造过程中的错误概率。

根据本发明的优选的实施方式，能量供应装置是用于向电动机和控制单元供应电能的能量供应装置。换言之，能量供应装置是一种用于电动机和控制单元的电源件。

根据本发明的另外的优选的实施方式，用于向控制单元供应电能的能量供应装置具有用于检测供应电压或整流器单元的整流器输出电压的另外的电压测量单元和用于从供应电压或从整流器输出电压产生用于控制单元的供应电压的另外的开关单元。

尤其规定，开关单元和/或另外的开关单元布置在整流器单元的下游。整流器单元和开关单元是隔离的并且在两个单元之间存在中间电路。在该情况下，电压测量单元检测整流器单元的整流器输出电压。

替换地，整流器单元具有开关单元。整流功能和开关功能实施在一个单元、即整流器单元中。在该情况下相应地，电压测量单元检测供应电压。

在此，开关单元优选构造为简化的降压转换器，或包括简化的降压转换器。降压转换器(也被称为降压变压器、降压调节器，英语为：step-down converter或buckconverter)是进行开关的直流电压转换器的相对简单的形式。降压转换器的输出电压始终小于降压转换器的输入电压的绝对值。

根据本发明的另外的优选的实施方式，控制设备具有用于检测在开关单元和电动机之间流动的电机电流的电流测量单元。有利地，本发明的该设计方案能够实现监控电机电流，以便识别电动机的过载和故障情况。

本发明的设计方案规定，控制设备具有电流隔离单元，用于将电动机与控制设备的其余部分电流隔离。例如，电流隔离单元具有用于将电动机与控制设备电流隔离的接触器或继电器。本发明的该设计方案有利地能够实现，在识别出过载或故障情况时安全地切断电动机。

本发明的另外的设计方案规定，控制设备的电力传输电气部件中的至少一个、尤其是电流隔离单元与电动机的部件和/或电机壳体的部件导热地连接。以该方式直接从壳体的内部导出热量，或者将相应的部件用作冷却元件。

本发明的另外的设计方案规定，控制单元具有输入组件，通过输入组件将至少一个外部设备的输入信号输送或可输送至控制单元。尤其通过输入组件将用于检测开关驱动器的端部位置的限位开关的输入信号输送至控制单元。本发明的该设计方案有利地能够实现，利用控制单元处理对于相应的开关的运行重要的输入信号。例如，控制设备由此可以对诸如用于锁定开关驱动器的锁定要求之类的输入信号做出反应，并且必要时切断电动机。用于检测开关驱动器相对于开关单元的端部位置的限位开关的输入信号尤其能够实现，利用控制单元监控开关驱动器的端部位置。

本发明的另外的设计方案规定，控制单元具有输出组件，通过输出组件将输出信号从控制单元输出到至少一个外部设备。本发明的该设计方案有利地能够实现，利用输出信号输出电动机和/或控制设备的状态，并且在其他的组件中、例如在常规的电气控制构件中对其进行进一步处理。

附图说明

本发明的上述的特性、特征和优点以及如何实现的方式结合下面对结合附图详细阐述的实施例的描述变得更清楚和更容易理解。在此附图中：

图1示出了根据本发明的实施方式的电气开关的开关驱动器和电机设备的框图。

具体实施方式

图1示出了电气开关的开关驱动器10和用于该开关驱动器10的电机设备12的框图。电机设备12具有电动机14和用于控制该电动机14的电子控制设备16。在所示的示例中，开关驱动器10是弹簧储能驱动器并且具有弹簧18、张紧轮20、将弹簧18与张紧轮20连接的耦合元件22、锁定单元24和触发单元26。电动机14可以是直流或交流电机。随后，为了简单起见，直流或交流电机简称为电动机14。

电动机14通过传动装置28耦合至张紧轮20，以便使张紧轮20围绕旋转轴30沿第一旋转方向从第一端部位置旋转到第二端部位置。耦合元件22被实施为耦合杆，耦合杆在一个端部上与张紧轮20连接，并且在另一端部上与弹簧18连接，从而通过围绕旋转轴30沿第一旋转方向旋转张紧轮20来张紧弹簧18。

因此，弹簧18可以通过电动机14被张紧。通过锁定单元24可以锁定张紧轮20，从而锁止张紧轮20的旋转，以便阻止弹簧18的松弛。例如，锁定单元24为此具有锁定电枢，其将张紧轮20和/或耦合元件22锁定在第二端部位置中，在该第二端部位置中弹簧18被张紧。

通过触发单元26，可以取消张紧轮20的锁定，以便释放弹簧18的松弛。通过弹簧18的松弛，张紧轮20从第二端部位置旋转到第一端部位置，并且开关的(未示出的)开关触点运动，以便中断电流路径。通过限位开关32检测张紧轮20的端部位置。

控制设备16具有构造为电源件的能量供应装置34和相应的控制单元36。电动机14、能量供应装置34和控制单元36共同封装在电机壳体38中。能量供应装置34为了向电动机供能而具有整流器单元40、布置在该整流器单元40下游的中间电路42、布置在中间电路42下游的电压测量单元44、布置在电压测量单元44下游的开关单元46、布置在开关单元46下游的电流测量单元48和布置在电流测量单元48下游的电流隔离单元50，电流隔离单元用于将电动机14与控制设备16电流隔离。整流器单元40包括整流器电路和布置在整流器电路下游的电容器，电容器可以理解为中间电路电容器，并且形成相应的中间电路42的输入端，电压测量单元44连接在中间电路中。然而，能量供应装置34同时也是用于通过其电接头52向控制单元36供应电能的能量供应装置34。能量供应装置34为了向控制单元36供应电能而具有布置在中间电路42下游的另外的电压测量单元54和布置在另外的电压测量单元54下游的另外的开关单元56，另外的电压测量单元用于检测整流器单元40的整流器输出电压，另外的开关单元用于从整流器输出电压产生用于控制单元36的供应电压。

控制单元36形成一种镇流器并且具有脉宽调制单元58、切断单元60、时间和电流监控单元62、输入组件64和输出组件66。控制单元36在此优选由微控制器形成。

整流器单元40与供应电压源68通过用于供应电压的接头70连接，由供应电压源向电机设备12供应供应电压。供应电压源68是单相或多相的交流电压源或直流电压源。

当供应电压是交流电压时，供应电压借助整流器单元40被整流，并且当供应电压是直流电压时，借助整流器单元提供反极性保护，从而由整流器单元40输出整流器输出电压，其是具有预设的极性的直流电压。供应电压的与预设的极性不同的极性(供应电压是直流电压)或供应电压的一部分的与预设的极性不同的极性(供应电压是交流电压)由整流器单元40转换为预设的极性。

借助电压测量单元44检测中间电路42上的整流器输出电压的幅度。电压测量单元44是用于确定电压的电气或电子电路，并且例如具有分压器。在该实施例中，电压测量单元被连接为，使得其确定整流器输出电压(中间电路42上的中间电路电压)的幅度。

借助开关单元46，从整流器输出电压/中间电路电压产生用于电动机14的脉宽调制的驱动电压。为此，借助控制单元36依据利用电压测量单元44检测的整流器输出电压的幅度来控制开关单元46。

借助电流测量单元48检测在开关单元46和电动机14之间流动的电机电流。电流测量单元48例如具有转换器线圈或分流电阻。

借助电流隔离单元50，电动机14可以与控制设备16电流隔离。隔离单元50例如具有用于将电动机14与控制设备16电流隔离的接触器或继电器。

借助控制单元36的脉宽调制单元58，依据整流器输出电压产生脉宽调制信号，利用脉宽调制信号来控制开关单元46。

借助控制单元36的时间和电流监控单元62来评估由电流测量单元46检测的电机电流。在此，确定电机电流的幅度和电机电流流动的持续时间。

当电机电流的幅度超过预设的幅度阈值时，或当电机电流流动的持续时间超过预设的时间阈值时，借助控制单元36的切断单元60，通过开关单元46切断电机电流。

通过控制单元36的输入组件64，输入信号可以从至少一个(关于控制设备的)外部设备被输送至控制单元36。尤其可以通过输入组件64将输入信号从限位开关32输送至控制单元36。依据输入信号，由输入组件64激活电流隔离单元50，以便将电动机14与控制设备16电流隔离。

通过输出组件66，可以由控制单元36将输出信号输出到至少一个外部设备。利用输出信号例如传输电动机14的状态和/或控制设备16的状态和/或开关驱动器10的状态。

存在以下功能和以下优点：

替代将控制单元(镇流器)36、能量供应装置(电源件)34和电动机14隔离，电动机14和两个另外的组件中的至少一个在空间结构上被归入一个模块中。因此，用于控制单元36的能量供应装置(电源件)54、56从整流器输出电压、即中间电路电压进行馈电，或通过向控制单元36供应所需电压的电子电路替代。

另外的电压测量单元54确定中间电路电压的水平，并且通过构造为变换器的另外的开关单元56使其匹配于控制单元36的要求。由此实现的是，在接通供应电压时，不仅给电动机14供电，而且还给控制单元36供电，控制单元使电机供应电压匹配于电动机14的要求。通过构造为电机端部开关的限位开关32实现电机供应电压的接通过程。

此外，至少一个电力传输电子部件、例如电流隔离单元50的冷却面与机械的电机部件或电机壳体部件72连接。因此，电机/电机壳体72的机械部件用作冷却元件。

通过该组合可能的是，将控制设备16的全部的电子组件34、36集成到电机壳体38中，从而用于电机供应电压的接头70表示用于控制断路器的电机设备12的唯一剩余的电接口。于是，另外的可能的接口仅是可选的。

附图标记列表

10 开关驱动器

12 电机设备

14 电动机

16 控制设备

18 弹簧

20 张紧轮

22 耦合元件

24 锁定单元

26 触发单元

28 传动装置

30 旋转轴

32 限位开关

34 能量供应装置(电源件)

36 控制单元

38 电机壳体

40 整流器单元

42 中间电路

44 电压测量单元

46 开关单元

48 电流测量单元

50 电流隔离单元

52 控制单元的接头

54 另外的电压测量单元

56 另外的开关单元

58 脉宽调制单元

60 切断单元

62 时间和电流监控单元

64 输入组件

66 输出组件

68 供应电压源

70 电机组件的接头

72 电机/电机壳体部件

Claims (10)

1.一种用于电气开关的开关驱动器(10)的电机设备(12)，具有电动机(14)和用于控制所述电动机(14)的控制设备(16)，其中，所述控制设备(16)具有：

-用于向电动机(14)供应电能的能量供应装置(34)，具有：

-整流器单元(40)，

-电压测量单元(44)，用于检测供应电压或整流器单元(40)的整流器输出电压，和

-开关单元(46)，用于从供应电压或从整流器输出电压产生用于电动机(14)的驱动电压，以及

-控制单元(36)，用于依据所检测的供应电压或整流器输出电压来控制所述开关单元(46)，

其特征在于电机壳体(38)，所述电机壳体除了电动机(14)以外还封装有能量供应装置(34)的至少一部分和/或控制单元(36)的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的电机设备，其特征在于，所述能量供应装置(34)是用于向电动机(14)和控制单元(36)供应电能的能量供应装置(34)。

3.根据权利要求2所述的电机设备，其特征在于，用于向控制单元(36)供应电能的能量供应装置(34)具有

-另外的电压测量单元(54)，用于检测供应电压或整流器单元(40)的整流器输出电压，和

-另外的开关单元(56)，用于从供应电压或从整流器输出电压产生用于控制单元(36)的供应电压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机设备，其特征在于，开关单元(46)和/或另外的开关单元(56)布置在整流器单元(40)的下游。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电机设备，其特征在于，所述控制设备(16)具有电流测量单元(48)，用于检测在开关单元(46)和电动机(14)之间流动的电机电流。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机设备，其特征在于，所述控制设备(16)具有电流隔离单元(50)，用于将电动机(14)与控制设备(16)的其余部分电流隔离。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电机设备，其特征在于，所述控制设备(16)的电力传输电气部件中的至少一个、尤其是电流隔离单元(50)与电动机(14)的部件(72)和/或电机壳体(38)的部件(72)导热地连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电机设备，其特征在于，所述控制单元(36)具有输入组件(64)，通过所述输入组件将至少一个外部设备的输入信号输送或能够输送至控制单元(36)。

9.根据权利要求8所述的电机设备，其特征在于，通过所述输入组件(64)将用于检测开关驱动器(10)的端部位置的限位开关(32)的输入信号输送至控制单元(36)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电机设备，其特征在于，所述控制单元(36)具有输出组件(66)，通过所述输出组件将输出信号从控制单元(36)输出到至少一个外部设备。

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