CN113169691A - 具有单相绕组的电动马达的保护电路、具有这种保护电路的电离心泵和电油雾分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有单相绕组(3)的电动马达的保护电路，该单相绕组由具有中心抽头(7)的两个子线圈(5、6)构成，其中，子线圈(5、6)的两个绕组端分别经由开关元件(8、9)与接地端(10)连接。本发明的任务是，在按类属的电动马达中，实现减少开关元件热负荷、改善运转平稳性、减少印刷电路板受热、改善EMC特性、对整体电路的更稳固的设计、有针对性地引导损耗以及附加地防护来自供电网络的其他过压脉冲。该任务根据本发明通过权利要求1、11和14的特征来解决。

Description

具有单相绕组的电动马达的保护电路、具有这种保护电路的 电离心泵和电油雾分离器
技术领域
本发明涉及具有单相绕组(3)的电动马达的保护电路，该单相绕组由具有中心抽头(7)的两个子线圈(5、6)构成，其中，子线圈(5、6)的两个绕组端分别经由开关元件(8、9)与接地端(10)连接。
背景技术
对按类属的具有单相绕组的电动马达的整流如下这样地实现，即，两个开关元件与马达的电动转速同步地交替接通。通过交替接通，在电动马达的定子中产生旋转场，该旋转场带动永磁体转子。这种电路又称为M电路。当转换马达绕组时，存储在相应子线圈中的电能必定减少。由于上述互连电路中未能采用续流二极管，因此开关元件处的电压会上升到其击穿电压(雪崩击穿)，并且电流继续经由该开关元件流向大地。这会导致电流骤增。在此情形下，根据施加脉冲时的时间、击穿电压和此时流过的电流算出损失功率。由于雪崩击穿能量极高，因此构件在此时要承受极高热负荷。出于经济原因，开关元件热负荷能力的容忍度极为有限。如果需要更高的马达功率，则须考虑到对构件的热破坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的任务在于，在按类属的电动马达中，实现减少开关元件热负荷、改善运转平稳性、减少印刷电路板受热、改善EMC特性、对整体电路的更稳固的设计、有针对性地引导损耗以及附加地防护来自供电网络的其他过压脉冲。
该任务根据本发明通过权利要求1、11和14的特征来解决。由于开关元件、例如场效应晶体管或双极晶体管不能承受高压脉冲，其中，每单位时间的能量输入起决定性作用，因此提出的是，让子线圈(5、6)的关断电流经由与开关元件(8、9)并联的电功率构件导出。在此，在子线圈(5或6)中存储的能量经由功率构件的电阻转化为热能。由此，使开关元件(8、9)受到的热负荷显著降低。以此方式，该功率构件保护开关元件(8、9)免遭可能的热损坏或热破坏。
本发明的改进方案在从属权利要求中示出。本发明的主要特征大体上在于，子线圈(5、6)的关断电流能够被控制。由此能与不同的环境条件或特殊要求相匹配。
根据本发明的第一实施方式设置的是，电功率构件为功率齐纳二极管(11、12)，其中，给每个子线圈(5、6)均配属有功率齐纳二极管(11或12)。这种解决方案至少能够满足对开关元件(8、9)进行热保护的要求。
为了附加地能够更易于设定和优化保护电路的特性，根据本发明的第二实施方式提出的是，采用双极功率晶体管(13、14)作为电功率构件，其中，给每个子线圈(5、6)均配属有双极功率晶体管(13或14)。
为了实现更灵敏地控制要导出的电流，功率晶体管(13)能被双极控制晶体管(14)导通，该双极控制晶体管的发射极联接至功率晶体管(13)的基极。
在第二实施方式的改进方案中设置的是，将控制晶体管(14)的基极与反向运行的控制齐纳二极管(15)连接。由此实现必须首先达到控制齐纳二极管(15)的击穿电压，才使基极电流在控制晶体管(14)中流动，然后该控制晶体管接通并控制功率晶体管(13)。
控制晶体管(14)的附加布线能够对EMC特性产生正面影响。
为了使这些晶体管处的基极-发射极电压不会过高进而保证快速切换，控制晶体管(14)的基极经由肖特基二极管一方面与子线圈的线圈端连接，而另一方面与功率晶体管(13)的基极连接。
另外设置的是，子线圈的绕组端与接地端之间接驳有由缓冲电阻器(17)和缓冲电容器(18)组成的RC阻尼环节(缓冲网络)。由此能够利索地切换开关沿，减少晶体管中的损耗，并且能够改善EMC特性。缓冲网络也可以根据需求而包含其他构件。
适宜地设置的是，开关元件(8、9)和双极功率晶体管(13)热解耦。这可以通过如下方式来实现，即，将在同一印刷电路板上的这些构件的彼此间的间距保持尽量大，或者将它们布置在不同的印刷电路板或承载元件上，和/或经由导热元件、散热体或类似措施来导出损失热。
最后，本发明具有根据前述特征中至少一项的保护电路的离心泵来解决。
所述保护电路可以例如用在具有定子绕组和永磁转子的无刷直流马达中。在此，定子具有爪极，这些爪极缠绕有具有中心抽头的螺线管。
已知的是，将这类无刷直流马达用于机动车冷却水泵，尤其是附加冷却水泵。具有权利要求中描述的所有变型方案的根据本发明的保护电路同样适用于此。
在机动车中的电油雾分离器中，也能采用具有保护电路的电动马达。该电动马达在此也具有单相绕组(3)，该单相绕组由两个具有中心抽头(7)的子线圈(5、6)构成，其中，子线圈(5、6)的两个绕组端分别经由开关元件、例如场效应晶体管(8、9)或双极晶体管与接地端(10)连接，其中，子线圈(5、6)的关断电流经由与开关元件(8、9)并联的电功率构件导出。其余所述特征也能应用于此应用。
附图说明
下面结合附图详细阐述本发明的实施例。其中：
图1示出本发明第一实施方式的原理电路图；
图2示出本发明第二实施方式的子电路；
图3示出第二实施方式的变型方案；以及
图4示出第二实施方式的第二变型方案。
附注：带脚注的附图标记和相应的不带脚注的附图标记在附图和附图说明中表示同名的细节。这涉及在其他实施方式、现有技术中的使用，并且/或者该细节是变型方案。为简明起见，权利要求书、说明书技术领域、附图标记列表和摘要仅包含不带脚注的附图标记。
具体实施方式
图1示出本发明第一实施方式的原理电路图1，以用于解释本发明的基本功能。图中示出第一子线圈5、第二子线圈6和中心抽头7，该中心抽头7联接至电压源4(供应电压)，而子线圈5、6的其余两个线圈端分别与场效应晶体管8或9连接。两个场效应晶体管(MOSFET)交替地接通子线圈5、6，从而使得电流流过子线圈5或6。等效电阻器16代表绕组的DC电阻。如果关断第一场效应晶体管8，则第一子线圈5的电感进一步沿相同方向驱动电流。结果是，场效应晶体管8处的电压升高到并联的功率齐纳二极管11的击穿电压为止。功率齐纳二极管11在此时是能传导的，因此电流不再流过场效应晶体管8，而是流过功率齐纳二极管11。借此，第一子线圈5的能量不再在场效应晶体管8处转化为热，而是在功率齐纳二极管11中转化为热。这同样适用于第二子线圈6的布线，其电流经由第二场效应晶体管9或第二功率齐纳二极管导出。如果来自马达绕组3(子线圈5或6)的电流减少，则相应的功率齐纳二极管11或12处的电压进一步下降，且不再有电流流过。
图2示出本发明第二实施方式的子电路2a，其中，仅示出两个子线圈中的一个子线圈5a及其布线。这里，子线圈5a在其关断时释放的能量不经由功率齐纳二极管、而是经由双极功率晶体管13a传导。双极功率晶体管13a的基极与控制晶体管14a的发射极连接。控制晶体管14a的基极与控制齐纳二极管15a电连接。在达到控制齐纳二极管15a的击穿电压之后，控制电流流过控制晶体管14a的基极-发射极路径，由此相应地使双极功率晶体管13a导通并吸收该子线圈的关断能量，将其转化为热并将热释放到环境中。总体而言，该电路的特性类似于齐纳二极管，但功率损失边界和可控性得到显著改善。通过晶体管14a、13a的基极电流水平以及通过晶体管14a、13a的电流放大可以调整电路，使得可以设定电流沿的陡度。图中还示出用于子线圈5a的电阻的等效电阻器16a。
图3示出根据图2的第二实施方式的具有附加布线元件的变型方案。图中示出子线圈5b、双极功率晶体管13b、控制晶体管14b、控制齐纳二极管15b、用于子线圈5b的等效电阻器16b以及用于切换子线圈5b的场效应晶体管8b。附加地还示出缓冲电阻器17b和缓冲电容器18b，它们形成缓冲网络。这会促成开关沿的利索切换，并且因此对晶体管的损耗和EMC特性产生积极影响。
图4示出本发明第二实施方式的第二变型方案。这里，子线圈5c的在其关断时释放的能量也经由双极功率晶体管13c传导。双极功率晶体管13c的基极与控制晶体管14c的发射极连接。控制晶体管14c的基极与控制齐纳二极管15c电连接。在达到控制齐纳二极管15c的击穿电压之后，控制电流流过控制晶体管14c的基极-发射极路径，由此相应地使双极功率晶体管13c导通并吸收子线圈5c的关断能量；将能量转化为热并将热释放到环境中。总体而言，该电路的特性类似于齐纳二极管，但功率损失边界和可控性得到显著改善。通过晶体管14c、13c的基极电流水平以及通过晶体管14c、13c的电流放大能够调整电路，使得可以设定电流沿的陡度。图中还示出用于子线圈5c的电阻的等效电阻器元件16c。附加还示出缓冲电阻器17c和缓冲电容器18b，它们形成缓冲网络。这会促成开关沿的利索切换，以此对晶体管的损耗和EMC特性产生积极影响。图中还示出肖特基二极管19c，其确保了晶体管处的基极-发射极电压不会过高，并因此能够确保快速进行切换。为此，控制晶体管(14c)的基极经由肖特基二极管(19c)一方面与子线圈(5c)的线圈端连接，而另一方面与功率晶体管(13c)的基极连接。
能想到其他变型方案，但本文不再赘述。另外，每个子线圈不必都具有自身的布线，而是两个子线圈可采用唯一的电路区块。
附图标记列表
1 原理电路图
2 子电路
3 绕组
4 电压源
5 第一子线圈
6 第二子线圈
7 中心抽头
8 第一开关元件
9 第二开关元件
10 接地端
11 第一功率齐纳二极管
12 第二功率齐纳二极管
13 双极功率晶体管
14 控制晶体管
15 控制齐纳二极管
16 等效电阻器
17 缓冲电阻器
18 缓冲电容器
19 肖特基二极管

Claims (14)

1.具有单相绕组(3)的电动马达的保护电路，所述单相绕组由具有中心抽头(7)的两个子线圈(5、6)构成，其中，所述子线圈(5、6)的两个绕组端分别经由开关元件、例如场效应晶体管(8、9)或双极晶体管与接地端(10)连接，其中，子线圈(5、6)的关断电流经由与开关元件(8、9)并联的电功率构件导出。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述子线圈(5、6)的关断电流能够被控制。
3.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，所述电功率构件为功率齐纳二极管(11、12)，其中，给每个子线圈(5、6)均配属有功率齐纳二极管(11或12)。
4.根据权利要求1或2所述的保护电路，其特征在于，所述电功率构件为双极功率晶体管(13、14)，其中，给每个子线圈(5、6)均配属有双极功率晶体管(13或14)。
5.根据权利要求4所述的保护电路，其特征在于，所述双极功率晶体管(13)能被控制晶体管(14)导通，所述控制晶体管(14)的发射极联接至所述功率晶体管(13)的基极。
6.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述控制晶体管(14)的基极与反向运行的控制齐纳二极管(15)连接。
7.根据权利要求6所述的保护电路，其特征在于，经由附加布线在EMC特性方面正面影响所述控制晶体管(14)的开关特性。
8.根据权利要求7所述的保护电路，其特征在于，所述控制晶体管(14)的基极经由肖特基二极管一方面与子线圈(5、6)的线圈端连接，而另一方面与所述功率晶体管(13)的基极连接。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的保护电路，其特征在于，子线圈(5、6)的绕组端与所述接地端(10)之间接驳有RC阻尼环节(缓冲网络)。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的保护电路，其特征在于，所述开关元件(8、9)和所述双极功率晶体管(13)热解耦。
11.电离心泵，所述电离心泵具有带单相绕组(3)的电动马达的保护电路，所述单相绕组(3)由具有中心抽头(7)的两个子线圈(5、6)构成，其中，所述子线圈(5、6)的两个绕组端分别经由开关元件(8、9)、例如场效应晶体管或双极晶体管与接地端(10)连接，其特征在于，子线圈(5、6)的关断电流经由与开关元件(8、9)并联的电功率构件导出。
12.根据权利要求11所述的电离心泵，其特征在于，所述电动马达为具有定子绕组的无刷直流马达。
13.根据权利要求11或12所述的电离心泵，其特征在于，所述离心泵为机动车冷却水泵，尤其是附加冷却水泵。
14.电油雾分离器，所述电油雾分离器具有带单相绕组(3)的电动马达的保护电路，所述单相绕组(3)由具有中心抽头(7)的两个子线圈(5、6)构成，其中，所述子线圈(5、6)的两个绕组端分别经由开关元件(8、9)、例如场效应晶体管或双极晶体管与接地端(10)连接，其特征在于，子线圈(5、6)的关断电流经由与开关元件(8、9)并联的电功率构件导出。
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