CN117639561A - 他励同步电机的励磁电路、机动车和励磁绕组去激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于他励同步电机(2)的励磁电路(5)，励磁电路具有用于电压供应的两个电压供应接头(18)、两个待与他励同步电机的励磁绕组(25)连接的励磁电流接头(27)和连接到电压供应接头上的、尤其是非对称全桥形式的桥电路(19)，励磁电路还具有控制装置(34)，并且在励磁电流接头(27)这方具有保护装置(8)，保护装置具有与励磁绕组(25)串联连接的半导体开关(28)和与励磁绕组并行延伸的、在励磁电流接头与半导体开关(28)之间具有连接点(33)的续流路径(30)，续流路径具有在励磁电流流动方向上阻断的二极管(31)和转换电阻(32)，控制装置(34)被设计用于在存在快速去激励信号的情况下断开半导体开关(28)。

Description

他励同步电机的励磁电路、机动车和励磁绕组去激励方法

技术领域

本发明涉及一种用于他励同步电机的励磁电路，其具有两个用于电压供应的电压供应接头、两个待与他励同步电机的励磁绕组——尤其是转子绕组——连接的励磁电流接头、以及可连接至电压供应接头的尤其是非对称全桥形式的桥电路。此外，本发明还涉及一种机动车和一种用于使他励同步电机的励磁绕组去激励的方法。

背景技术

对于混合动力车辆和电动车辆来说已知的是，同步电机用作牵引电机/动力电机。尽管常规的驱动系统经常使用永磁同步电机，但在此期间也建议，在机动车中使用他励同步电机作为牵引电机。在他励同步电机(通常也是电流励磁同步电机)中，可以省去转子中的成本密集型的永磁体。转子中所需的磁场由作为转子绕组的励磁绕组来提供，直流电流作为励磁电流例如通过滑环馈入该励磁绕组中。

为了提供该直流电流，除了分配给定子绕组的变流器(牵引逆变器)以外，作为另外的电力电子装置，还需要励磁电路作为附加的电力电子电路部件。对于这样的励磁电路，例如可能需要大约15kW的功率。在此，励磁电路通常具有桥电路、尤其是非对称全桥电路作为主要部件，其提供励磁电流以在相应的励磁电流接头处给励磁绕组供电。

不仅与他励同步电机的定子绕组连接的变流器而且励磁电路都可以在物理上与至少一个共同的中间电路电容器物理连接并且由其供电，该中间电路电容器通常在结构上布置在变流器上，其中，至少一个中间电路电容器又可以与机动车的高压电池、即牵引电池连接。在回收运行模式中，即在他励同步电机的发电机运行中，至少一个中间电路电容器和机动车的高压电池可以被充电。

根据变流器的运行状态，可以设置励磁电路的和因此由励磁电路和励磁绕组形成的励磁回路的不同的运行状态。因此，通常对应于桥电路的一个切换状态的第一运行状态可以规定，建立励磁电流。通过续流状态，在非对称全桥电路的情况中例如通过高边续流和低边续流，可以减小转子内的励磁电流。在此，还可设想以下运行状态：在该运行状态中，励磁电流经由电压供应接头被反馈给至少一个中间电路电容器或者反馈到机动车的高压电网中。

在此，励磁电流的减小和转子的与之相联系的消磁/去磁通常通过续流运行状态来实现。在该续流运行状态下，励磁绕组的电感导致，励磁电流首先继续流动，然后通过欧姆电阻缓慢减小。然而，转子电流的减小也可以通过反馈实现。

然而在此，在机动车和其他的应用中存在需要对转子快速去激励、因此需要一种紧急去激励的情况。如果例如在他励同步电机的完全磁化的快速旋转的转子中出现事故或重大缺陷，那么存在要尽可能快地使转子去激励、因此消磁的要求，以便既能消除能量又能关断电驱动力矩。即，在这种紧急情况下，必须立即中断励磁电流，从而使转子立即消磁，并满足安全要求。

在迄今已知的励磁电路中，拓扑结构不设置这种快速的放电，从而在这方面存在改进需求。

DE 10 2020 120 814 A1涉及一种用于检查他励电机的励磁电路的快速去激励路径的方法，其中，第一切换元件和第二切换元件串联连接在正电压端子和负电压端子之间，并且第四切换元件与第二切换元件并联连接。他励电机的励磁绕组在第一端部处连接在第一切换元件和第二切换元件之间，并且在第二端部处与第二切换元件连接。电气结构元件一端与励磁绕组的第二端部连接，另一端与电压供应接头之一连接，其中，励磁绕组在第三切换元件闭合的情况下被充电，接着断开第三切换元件，并且在第三切换元件断开时，检测对在包括励磁绕组和电气结构元件的路径中的通过电流进行表征的参量。借助该参量，检查电气结构元件的功能。为了快速地去激励，第一切换元件和第三切换元件可以被断开，从而使得励磁绕组克服正供应电压或克服由于电气构件而产生的电压被去激励，这在时间上应该是明显更快的。

通过DE 10 2017 204 091 A1描述了一种用于切换具有动子的电机的励磁电流的切换装置。在此建议，使用附加电压源，以便能够通过附加电压源改变励磁绕组上的电压，尤其是能够相对于实际的电压源的电压提高励磁绕组上的电压以快速激励和/或快速去激励。

DE 10 2017 200 220 A1公开了一种用于作为混合动力车辆或电动车辆中的驱动装置的他励同步电机的操控方法和切换装置。为了减小EMV问题或一般地说干扰振动而建议，与非对称全桥的其中布置有动子的桥支路并联地设置短路支路，通过该短路支路，动子是可短路的。

发明内容

本发明的目的是，设计一种励磁电路，以用于在紧急情况下提供更高的安全性和/或改进的保护。

为了解决该目的，根据本发明，在开头所述类型的励磁电路中规定，励磁电路还具有控制装置，并且在励磁电流接头这方具有保护装置，该保护装置具有与励磁绕组串联连接的半导体开关和与励磁绕组并联的续流路径，该续流路径具有在励磁电流接头与半导体开关之间的连接点，并具有在励磁电流流动方向上阻断的二极管和转换电阻，其中，控制装置被设计用于在存在快速去激励信号时断开半导体开关。

因此提出，在保持未修改的桥电路与励磁绕组之间补充有用于实现安全功能的附加的部件、即保护装置，该保护装置也可以理解为保护电路，并且尤其用于励磁绕组的快速去激励，并且因此用于转子的消磁。换言之，定位在励磁电路中的电路拓扑结构得到扩展。为此，优选在励磁电流的返回路径中，半导体开关(通常也被称为功率半导体)被添加到励磁电流接头之一。在半导体开关与励磁电流接头之间，续流路径与励磁电流接头、在连接状态下因此与励磁绕组并联连接。续流路径具有在励磁电流流动方向上阻断的二极管，从而在正常运行中，所提供的电功率继续完全被引导通过励磁绕组。此外，续流路径具有转换电阻，该转换电阻一方面防止续流路径在正常运行中便已被使用，但另一方面适用于非常快速地将由于励磁绕组的电感而维持的励磁电流的能量转换成热，并因此当半导体开关断开并且由续流路径和转子中的连接的励磁绕组形成闭合回路(振荡回路)时减小励磁电流。

如原则上已知的那样，半导体开关在此可以优选设计为IGBT或MOSFET、尤其是N沟道MOSFET。特别适宜地，保护二极管、尤其是齐纳二极管可以与半导体开关并联连接。即优选与半导体开关并联地附加地沿阻断方向集成有至少一个齐纳二极管。齐纳二极管用于在关断过程中保护功率半导体，因为通过关断电感会建立反电压。

在正常运行中，附加的半导体开关是导通的，即闭合的，并且整个励磁电流经由半导体开关、例如通过他励同步电机上的滑环流入转子的励磁绕组中。在此，半导体开关宜设计和设置为，使得其线路损耗最小化。尤其地，在桥电路上没有任何变化并且附加的半导体开关在正常运行中闭合之后，运行状态或运行模式的所有先前的选项都保留。尤其地，例如通过转子电流的反馈实现的缓慢的去激励此外也是可能的，正如通过续流模式实现的那样，在该反馈中，现有能量可以被馈入到变流器的中间电路电容器中。在该运行模式中，如已经提到的那样，附加的半导体开关保持闭合，并且没有励磁电流流过续流路径或齐纳二极管(如果设置了齐纳二极管的话)。

在此，在这里还要注意的是，续流路径的设置也可以理解为所谓的缓冲电路，因为由此也发生对不希望的振荡的衰减，尤其是，可在切换电感负载(在此是励磁绕组)时发生的、干扰性的高频或电压峰值被中和。因此，给出了扩展励磁电路的进一步的优点。续流路径的设置也可以理解为产生钳位电路。钳位电路用来例如将电压“钳位”到最大固定电平。电压于是不能超过特定的阈值(例如1000V直流电压)。

如果现在出现应该尽可能快地使转子去激励和因此消磁的情况，即如果例如存在缺陷或车辆因事故而损坏，那么必须在最短时间内减小励磁电流，以便导出所存储的电能，并且由此不仅导致电气安全，而且将电气动力传动系切换为无转矩的。

通过断开半导体开关，中断朝电压供应接头方向的电流流动。因为励磁绕组、更确切地说其电感(转子电感)力求维持励磁电流流过电感，所以励磁电流现在流过续流路径的转换电阻和二极管。通过转换电阻将现有的电能非常快速地转换为损耗功率，该损耗功率可以通过相应的冷却装置排出。因此，转子被消磁，从而使得他励同步电机尤其也是无转矩的。

总之，通过本发明实现，确保在机动车的所有运行状态下的功能上的安全要求。通过保护装置提高了安全性、尤其是在潜在的火灾方面的安全性，并且给出了在发生故障或事故的情况下快速去激励的可能性。由于将保护装置定位在励磁电路中，因此可以降低材料成本的成本耗费，并且不再需要离散的附加的保护电路。在制造/安装中也取消了在装备或安装离散的保护电路方面的工作。提高了总系统的鲁棒性，并且减小了结构空间和结构尺寸。一般可以适宜地说，保护装置和桥电路可以设置在共同的基底上。

通过转换电阻，一方面，应该尽可能基本避免在正常运行中流过续流路径的电流，另一方面，应该实现尽可能快速的、有效的去激励和进而励磁电流或励磁电流能量向热的转换。为此尤其可以规定，转换电阻具有100毫欧至5欧姆的欧姆电阻值，和/或设计为厚层电阻。厚层电阻、尤其是SMD厚层电阻也被证明非常有用地用作放电电阻，并且在所描述的应用中是特别有利的，因为励磁电路的基底也可以用于放电电阻。替代地，当然也可以使用常见的线绕电阻元件等。

适宜地，在存在快速去激励信号的情况下控制装置也可以设计用于操控桥电路至反馈模式。如果桥电路设计为非对称全桥，那么控制装置可以设计用于，除了断开半导体开关以外还断开相应的桥开关。以该方式，也可以适宜地减少仍然朝电压供应接头推进的励磁电流功率的份额。

控制装置还可以设计用于，在不存在快速去激励信号的正常运行中，在闭合状态下运行半导体开关。这意味着，在正常运行中，励磁电路基本上表现为好像不存在保护装置一样，因为半导体开关被设计成电阻尽可能小。

具体地，快速去激励信号可以是事故信号和/或故障信号。例如，事故信号可以由事故传感器、例如碰撞传感器或机动车的评估事故传感器的传感器数据的控制器来提供，在机动车中，他励同步电机用作牵引电机。例如对需要关断他励同步电机的故障进行描述的故障信号例如可以由相应的诊断控制器或分配给他励同步电机本身的控制器来提供。

除了励磁电路以外，本发明还涉及一种机动车，该机动车具有他励同步电机、分配给他励同步电机的根据本发明的励磁电路、和连接至高压电网的电力电子装置，该电力电子装置尤其是包括分配给同步电机的变流器。在此，励磁电路与他励同步电机的布置在转子中的励磁绕组相连接，并且可以借助电压供应接头同样也连接至高压电网。尤其地，电力电子装置在变流器的输入端处具有至少一个中间电路电容器，变流器和励磁电路都可以通过该中间电路电容器与高压电网连接。变流器尤其是三相变流器，其可以相应包括B6桥电路。变流器与他励同步电机的定子绕组相连接。与根据本发明的励磁电路有关的所有实施方案可以类似地转用到根据本发明的机动车，因此利用其同样也可以获得已经提到的优点。

励磁电路可以具体地实现为励磁模块(其尤其是包括壳体)的一部分。这便于操作，提高了安全性，并且尤其是允许与电力电子装置的功率模块类似的安装，针对电力电子装置，例如可以为每个相设置一个功率模块。

在本发明的特别有利的设计方案中，机动车还可以具有带有散热体的冷却装置，尤其是在励磁模块中，具有保护装置的励磁电路热连接至散热体以用于排热。特别有利地，电力电子装置的至少一部分也可以热连接至这样的散热体以用于排热、尤其是作为包括壳体的至少一个功率模块。通过将尤其是励磁模块形式的励磁电路直接连接到散热体，不仅在桥电路中形成的损耗功率，而且在快速去激励时通过转换电阻形成的热，都可以直接输出至散热体和进而冷却装置。然而，仍要注意的是，所形成的损耗功率的一部分也通过保护装置的附加的半导体开关直接导出到散热体，因为保护装置集成到励磁电路中、尤其是励磁模块中，并因此尽可能直接热连接到散热体。通过将保护装置连接到冷却装置的优选主动的冷却部，可以掌控转子的、具体地励磁绕组中的励磁电流的大的能量量，这能够通过集成到励磁电路、尤其是励磁模块中特别简单地实现，因为针对励磁模块已提出，将该励磁模块连接至散热体(该散热体还主动冷却变流器)。换言之，以该方式提供一种非常鲁棒的总系统，在该总系统中，快速的去激励功能由励磁电路承担，并且保护装置随着励磁电路——尤其是作为励磁模块和/或在共同的基底上——连接到散热体。

如已经提到的那样，机动车尤其可以是混合动力车辆，但优选是电动车辆。在此，他励同步电机是机动车的牵引电机，因此形成机动车的动力传动系的一部分。正是在电动车辆中，然而也在混合动力车辆中，对功能安全性提出高的要求，这些要求可以通过根据本发明的做法特别简单地满足。

最后，本发明还涉及一种用于使具有根据本发明的励磁电路的他励同步电机的励磁绕组去激励的方法或在根据本发明的机动车中的他励同步电机的励磁绕组去激励的方法，其中，在存在快速去激励信号时，断开半导体开关。根据本发明的励磁电路和根据本发明的机动车的所有实施方案也可以转用到根据本发明的方法。

控制装置尤其可以实现为机动车的控制器的一部分、该控制器例如是驱动控制器或者专门为他励同步电机的电力电子装置设置的控制器。

附图说明

本发明的另外的优点和细节由下面描述的实施例并且借助附图得到。

在此：

图1示出了根据本发明的机动车的原理图，

图2示出了散热体和与该散热体热连接的模块的视图，

图3示出了励磁电路的一实施例的线路图，

图4示意性示出了正常运行的第一运行模式中的电流流动，

图5示意性示出了正常运行的第二运行模式中的电流流动，

图6示意性示出了快速去激励运行模式中的电流流动。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的机动车1(在本例中是电动车辆)的原理图。该电动车辆在这里未详细示出的动力传动系中包括牵引电机，该牵引电机设计为他励同步电机2。他励同步电机2包括在图1中未详细示出的带有励磁绕组的转子和带有定子绕组的定子，其中，为三个相中的每个相设置一个定子绕组。

他励同步电机2经由电力电子装置3连接到机动车1的高压电网4。为了将励磁绕组与高压电网4连接，机动车1还包括励磁电路5，该励磁电路也可以理解为电力电子装置3的一部分。电力电子装置3包括变流器6，定子绕组通过该变流器与高压电网4连接。在此，高压电网4具有比机动车1的在此未示出的低压电网高的电压。高压电网4的工作电压例如可以位于超过200V的范围内，尤其是在350V到1000V的范围内，其中，高压电网是直流电网。高压电网4由高压电池7供电。另外的高压部件或电网部件还可以设置在高压电网4中并连接到高压电网上，例如，设置在低压电网与高压电网之间的直流变压器、用于高压电池7的车载充电器、电动空调压缩机和/或电加热器。

电力电子装置3还可以包括具有至少一个中间电路电容器的中间电路，励磁电路5通过该中间电路电容器连接到高压电网4。

在本例中，在励磁电路5中集成有保护装置8，该保护装置提供具有转换电阻的续流路径，通过该转换电阻可以将励磁电流的电能转换成热能。

在这方面，机动车1还包括冷却装置9，该冷却装置包括在冷却回路中循环的冷却流体、例如冷却水，并且用于冷却变流器6和具有保护装置8的励磁电路5。为了控制所解释的部件的运行，机动车还具有控制设备10，其可以包括一个或多个控制器。

图2示例性示出了冷却装置9的散热体11，该散热体在本例中以未详细示出的方式具有至少一个通道和/或至少一个空腔，冷却流体流过所述通道和/或空腔进入冷却回路中。除了一起形成变流器6的、用于每个相的功率模块12以外，励磁模块13也固定在散热体11上并且与该散热体热连接以进行冷却，在该励磁模块中，具有保护装置8的励磁电路5布置在壳体中。以该方式，除了励磁电路5的桥电路的被设计为半导体开关的桥开关以外，通过散热体11也可以冷却保护装置8的部件。

功率模块12也可以具有包围相应的电力电子部件(尤其是同样也包括半导体开关)的壳体。在本例中还示出了功率模块12的连接到高压电网4上的功率接头14和通向用于各个相的定子绕组的功率接头15以及相应的操控接头16。在励磁模块13上，为了清楚起见没有示出这些接头。

图3示出了在一实施例中的励磁电路5和周围的部件的线路图。没有更精确地示出在此设计为B6桥电路的变流器6。变流器6和励磁电路5通过具有中间电路电容器17的中间电路连接至高压电网4，该中间电路电容器既与变流器6也与励磁电路5并联连接。

为此，励磁电路5具有电压供应接头18，桥电路19(在此是非对称全桥)在基底上连接到电压供应接头18上。如原则上已知的那样，桥电路19具有两个桥开关20、21，其例如可以设计为IGBT或MOSFET。此外，如原则上已知的那样，设置有二极管23。

为了与他励同步电机2的转子26中的在此作为具有电感23和欧姆电阻24的等效电路图示出的励磁绕组25连接，励磁电路5还具有励磁电流接头27。现在，在励磁电流接头27与桥电路19之间设置有在此同样也布置在基底上的保护装置8，该保护装置具有与励磁绕组25串联连接的半导体开关28，齐纳二极管29在阻断方向上与该半导体开关28并联连接。此外，保护装置8具有续流路径30，该续流路径包括二极管31和转换电阻32(在此是厚层电阻)。续流路径30与励磁绕组25并联连接，其中，连接点33位于半导体开关28和励磁绕组25之间。半导体开关28示例性地布置在返回路径中，并且在本例中实现为N沟道MOSFET，但是也可实现为IGBT。

半导体开关28可以由控制设备10的控制装置34操控，参见图1。在正常运行中，如果不存在快速去激励信号，那么半导体开关28在此是闭合的。因此，可以使用通过非对称全桥可实现的常见的运行状态或运行模式。

示例性地，图4和图5利用在此仅简化示出的开关20、21和28示出了用于构建转子电流的运行模式(图4)和反馈模式(图5)的电流流动，在该运行模式中，两个桥开关20和21是闭合的，在该反馈模式中，桥开关20、21是断开的。半导体开关28是闭合的。

在事故和重大故障中，可以借助机动车1的其它部件、例如事故传感器、诊断控制器等，将快速去激励信号作为事故信号或故障信号提供给控制装置34。在存在快速去激励信号时，控制装置34操控半导体开关28以及在本例中还有桥开关20、21断开。于是得到在图6中示意性示出的紧急运行模式，在该运行模式中，朝高压电网4的方向的电流流动通过断开半导体开关28被中断。因为电感23力求维持励磁电流，所以该励磁电流现在流过续流路径30的转换电阻32和二极管31，参见箭头35。由于转换电阻32，励磁电流的电能被非常迅速地转换成损耗功率、在此是热能，并且被输送到散热体11。转子26因此被消磁。此时，转子26的大量的能量可以毫无困难地减少，因为励磁电路5和因此保护装置8通过冷却装置9直接连接到主动冷却系统，对此也参见对图2的解释。

Claims (11)

1.一种用于他励同步电机(2)的励磁电路(5)，该励磁电路具有用于电压供应的两个电压供应接头(18)、两个待与他励同步电机(2)的励磁绕组(25)连接的励磁电流接头(27)以及连接到电压供应接头(18)上的桥电路(19)，该桥电路尤其是非对称全桥的形式，其特征在于，该励磁电路(5)还具有控制装置(34)，该励磁电路(5)在励磁电流接头(27)这方具有保护装置(8)，该保护装置具有与励磁绕组(25)串联连接的半导体开关(28)和与励磁绕组(25)并行延伸的续流路径(30)，该续流路径在励磁电流接头(27)与半导体开关(28)之间具有连接点(33)，该续流路径具有在励磁电流流动方向上阻断的二极管(31)和转换电阻(32)，其中，控制装置(34)设计用于在存在快速去激励信号的情况下断开半导体开关(28)。

2.根据权利要求1所述的励磁电路(5)，其特征在于，半导体开关(28)是IGBT或MOSFET、尤其是N沟道MOSFET，和/或保护二极管、尤其是齐纳二极管(29)与半导体开关(28)并联连接，和/或半导体开关(28)设置在励磁电流的返回路径中。

3.根据权利要求1或2所述的励磁电路(5)，其特征在于，转换电阻(32)具有100毫欧姆至5欧姆的欧姆电阻值，和/或转换电阻(32)被设计为厚层电阻。

4.根据前述权利要求中任一项所述的励磁电路(5)，其特征在于，控制装置(34)也设计用于，在存在快速去激励信号的情况下操控桥电路(19)至反馈模式。

5.根据前述权利要求中任一项所述的励磁电路(5)，其特征在于，控制装置(34)被设计用于在没有快速去激励信号的正常运行中使半导体开关(28)在闭合状态下运行，和/或快速去激励信号是事故信号和/或故障信号。

6.一种机动车(1)，该机动车具有：他励同步电机(2)；分配给他励同步电机(2)的、根据前述权利要求中任一项所述的励磁电路(5)；和连接至高压电网(4)的电力电子装置(3)，该电力电子装置尤其是包括分配给同步电机(2)的变流器(6)。

7.根据权利要求6所述的机动车(1)，其特征在于，励磁电路(5)实现为励磁模块(13)的一部分，该励磁模块尤其是包括壳体。

8.根据权利要求6或7所述的机动车(1)，其特征在于，该机动车还具有带有散热体(11)的冷却装置(9)，具有保护装置(8)的励磁电路(5)——尤其是在励磁模块(13)中——与散热体热连接以用于排热。

9.根据权利要求8所述的机动车(1)，其特征在于，电力电子装置(3)的至少一部分——尤其是作为至少一个包括壳体的功率模块(12)——也与散热体(11)热连接以用于排热。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，同步电机(2)是尤其设计为电动车辆的机动车(1)的牵引电机。

11.一种用于使具有根据权利要求1至5中任一项所述的励磁电路(5)的他励同步电机(2)的或在根据权利要求6至10中任一项所述的机动车(1)中的他励同步电机(2)的励磁绕组(25)去激励的方法，其中，在存在快速去激励信号时，将半导体开关(28)断开。