CN1849684B - 用于操作电元件的旋转电马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作电元件的旋转电马达(5)。该马达安排用于在该马达的转子的有限预定角运动期间的操作动作。电驱动电路(6)安排用于该马达(5)的绕组。根据本发明，该电路(6)具有包括与马达绕组串联连接的电能量组(7)和晶闸管(9)的至少一个分路。本发明还涉及一种用于断开的方法、所发明的马达的一种用途、以及提供有根据本发明的马达的一种电开关。

Description

用于操作电元件的旋转电马达 
技术领域
从第一方面，本发明涉及一种用于操作电元件的旋转电马达，所述马达被安排用于在马达转子的有限预定角运动期间的操作动作，并且所述马达包括用于马达定子绕组的电驱动电路。 
从第二方面，本发明涉及一种用于通过由旋转电马达而实现的角运动来操作电元件的方法，该马达的转子连接到电元件，通过驱动电流经过转子的定子绕组使转子进行有限的预定角运动。 
从第三方面，本发明涉及所发明的旋转电马达的用途，以及从第四方面，本发明涉及一种电开关。 
背景技术
某些电元件属于一个种类，进行有限范围的操作动作，但是只在很短时间段内。这造成了对如下驱动装置的需求，该驱动装置可以在要进行该操作动作的短时间期间被迅速地激励、加速和减速。此种元件的一个典型实例是开关，尤其是用于高和中电压的开关。此种开关的操作传统上使用机械弹簧作为驱动源来执行。当要求断开时，释放弹簧中储存的机械能，因而实现迅速的断开。然而，将弹簧装置用于操作该开关导致了某些缺点。根据这些事实，已经得出替选的解决方案，其中将旋转电马达用于开关的操作。在WO 00/36621和WO 01/71741中说明了其实例。 
在根据WO 00/36621的开关中，用于马达的驱动电流经由控制单元从能量源获得。在根据WO 01/71741的开关中，使用了转换器，马达经由此转换器连接到能量源，如，例如电容器组。 
其中要求短时间的有限角运动的另一电元件实例是WO 02/056326中公开的换向电开关装置类型。这里，该电开关装置包括若干可移动接触件，它们将被迅速和同时地旋转90°。对于此动作的操作，将电马达描述为一 个实施例。 
在用于实现马达的迅速和有限操作动作的已知实例中说明的设备成本较高。因此，存在改善根据现有技术的装置的需要。 
根据以上所述，本发明的目的是提供所讨论的类型的一种旋转电马达，其中以简单、廉价和可靠的方式提供马达的迅速和有限的动作。 
发明内容
根据本发明的第一方面，实现了提出的目的，因为旋转电机器具有专门特征：用于马达定子绕组的驱动电路具有至少一个分路，该分路包括与定子绕组串联连接的电能量组和晶闸管。 
通过将能量组经由晶闸管连接到马达绕组，用于马达绕组的驱动电路与现有技术相比将相当可观地更简单和更廉价。消除了高成本转换器的需要，并且控制设备变得更简单。 
根据所发明的旋转电马达的优选实施例，能量组包括电容器装置。这是能量存储的有效、廉价形式，很好地适于传递相对大量的电能，正如本发明中的情况。 
根据另一优选实施例，每个分路包括与能量组并联连接的二极管。这以简单的方式促进实现马达的减速，以及在能量组由电解电容器组成的情况中防止电容器的反向极性。 
根据又一优选实施例，晶闸管安排成在转子已经进行少于足足一半(agood half)的角运动时关断。“足足一半”意味着角运动的一半加上至多10°。这给予转子强的动作脉冲，在动作的前一半期间提供快的加速度，并且在能量组由电解电容器组成的情况中防止电容器的反向极性。 
根据再一个优选实施例，晶闸管安排成在已经关断之后再接通。这允许在操作动作的后一半期间以简单的方式实现受控制的减速动作。 
根据此外的优选实施例，所述角运动约为155°-205°。当将马达用于操作一开关时，从而适当的实施例是：通过转过约半周的曲柄臂来实现转子 的旋转动作到开关的可移动件的平移动作的转变。利用转子旋转动作的规定量值，该马达尤其适合于此种应用，并且消除了该动作的机械传动变化的需要。如果角约为180°则是尤其有利的。 
根据另一优选实施例，晶闸管安排成保持接通直到能量组耗尽。 
根据另外的优选实施例，驱动电路包括所述类型的三个分路，并且它们并联连接。当将该马达用于操作一开关时，常常需要在短时间内进行三个操作动作，即断开-连通-断开动作。它大约为少于半秒的时间段。例如如果将电容器组用作能量组，则此组将没有时间在这一短时间段内充电，因为通常必须依靠若干秒的充电时间。通过以三个并联分路来设计驱动电路，其中每个分路可被激励用于操作动作中的相应一个，以简单的方式确保了可以在没有任何由等待再充电引起的延迟时进行这些动作。 
从本发明的第二方面，实现了提出的目的，因为一种用于借助由旋转电马达实现的旋转动作来操作电元件的方法包括专门措施：马达的定子绕组经由晶闸管连接到能量组，其中该马达的转子连接到该电元件，由此通过驱动电流经过该马达的绕组来使该马达进行有限的预定角运动。 
根据所发明的方法的优选实施例，在使用根据本发明或其任一优选实施例的旋转电马达的同时进行此方法。 
利用所发明的方法及其优选实施例，获得了与针对所发明的电马达及其优选实施例在上面所述对应的此类优势。 
利用根据第一方面的电马达的所发明的用途和所发明的电开关，获得了与上面所述对应的优势。 
附图说明
通过本发明的有利实施例的以下详细说明，同时参照附图，将更详细地解释本发明。 
图1是根据本发明第一实施例的马达与开关之间的动作传输机构的部分示意图。 
图2是依照根据本发明的第一马达实例的定子绕组的驱动电路的图。 
图3是用于第二实例的对应图。 
图4是图示了用于开关断开的操作动作期间的马达中的不同循环的曲线图。 
图5是图示了开关闭合的对应曲线图。 
图6图示了用于根据本发明的马达的驱动单元实例。 
图7是用于图6的驱动单元的电路图。 
图8图示了用于三相开关的操作装置。 
具体实施方式
图1示意地图示了根据本发明的旋转电马达的典型应用。此图表示马达与开关(例如真空开关)的可移动接触件之间的动作传输机构。数字1指示操作杆，其刚性连接到开关的可移动件。数字4指示转子的输出转子轴，数字2和3是联接。杆2在一端有关节地连接到操作杆1，并且在其另一端有关节地连接到曲柄3。曲柄3在其相对端刚性连接到转子轴4。开关在上端位置处于闭合位置，在此处曲柄3从转子轴被垂直向上指引，并且与杆1和2对准。在这一位置，偏转角θ＝0并且视为在箭头方向为正。开关从其闭合位置到其断开位置的操作通过从θ＝0到θ＝180°旋转转子轴4而发生。这通过在短时间内驱动电流经过马达的定子绕组而发生。 
图2图示了激励该马达的驱动电路。马达5是在定子中仅具有一个绕组匝和具有永磁转子的单相马达。定子绕组连接到具有由电容器组7组成的能量组的驱动电路6。此外，该电路包括晶闸管9。二极管与电容器组7并联连接。定子绕组在电学上可通过电阻R、电感L和由永磁转子感应的电压E表示。 
在要求开关操作的状态期间，将接通信号供应到晶闸管9以便电流i开始从电容器组7流过定子绕组5。因而在转子上生成转矩，从而转子从 角位置θ＝0°旋转曲柄棒3(见图1)，并且启动用于开关的可移动接触件的断开动作。 
在达到角位置θ＝90°以后不久，通过再次接通晶闸管来开始制动阶段。由于在绕组5中感应的电压E，这再次造成电流i的生成。现在电流以与前相同的方向流过二极管8，因而转子5上的转矩Tm被反向。因而可移动接触件的动作在该过程的此阶段期间变得减速。制动能量基本由马达绕组中的电阻吸收。制动动作进行到约θ＝180°的角位置。 
在操作期间，不行使该动作过程的更紧密控制。该过程仅由以下事实确定：用于加速的脉冲在该动作的第一阶段期间被递送，并且该动作在其较后阶段期间被制动。然而，可能适合的是安排时间控制，用于控制晶闸管9的关断时间点，以及用于控制在其关断与重新接通之间的时间间隔。同样，可能需要电容器组的电容控制。 
图3图示了驱动电路6，与图2中所示对应，但是安排成允许该开关的操作循环在大约0.5秒或更小的短时间间隔期间断开-连通-断开。驱动电路6包括三个并联分路6a-6c，每一个以与图2中的驱动电路对应的方式而组成。因而，每个分路6a等包括晶闸管9a等、电容器组7a等、以及与电容器组并联连接的二极管8a等。为了实现断开，接通第一分路6a中的晶闸管9a，并且执行参照图2说明的过程。然后，为了再次闭合开关，接通分路6b中的晶闸管9a，由此大体上重复此过程，但不同的是，该动作现在从角位置θ＝180°进行到θ＝0°。然后下一断开动作通过以对应方式从电路6c驱动而发生。 
用于开关的断开和闭合的该过程在图4和5中图示出。这些图是基于与由ABB制造的并且标示为VK 32425-31.5的三相真空开关有关的仿真。动作传输机构是图1中所示的类型，但是具有连接到马达轴的三个操作杆，每个相开关由相应的杆来操作。使用了以下数据： 
转子直径：30mm 
转子长度：200mm 
绕组电阻：0.083ohms 
绕组电感：1.3mH 
绕组匝数：40 
可移动接触件的质量：2.43Kilos 
电容器组的电容：4mF 
电容器组的电压：250V 
图中，横坐标以ms指示分别从晶闸管6a和6b(见图3)接通起的时间，用于相应操作动作的开始。纵坐标指示转子的速率＝ω、电容器组的电压＝U、定子中的绕组匝数和电流强度的积＝N×i、可移动接触件从其闭合位置起的转移＝x、可移动接触件在x-方向的速度＝V、以及根据图1定义的旋转角＝θ。纵坐标标出了相应变量的指示单位。 
图4图示了占用约30ms的断开操作。然后图1中的曲柄杆3已从其θ＝0的上部位置转到θ＝170°的较低的几乎直径端位置。电容器电压从起始250V迅速下降，在约4ms后达到零。接触分离在约10ms时发生，由此发生速度和位置的强波动。然而，这些是夸大的，因为仿真模型未考虑实际中发生的这些振荡的阻尼。晶闸管在约20ms时再次接通，由此马达短路并且动作开始减速。端位置发生在θ＝170°这一事实，即稍在完全的半周之前，是由于已经有些太早开始的制动阶段造成的。 
图5以对应的方式图示了闭合操作。从θ＝180°到θ＝3°发生动作。由于机械系统中的摩擦力，端位置可在零位置周围波动若干度。晶闸管的关断在约12.5ms时发生，这时电流强度经过零。然后，晶闸管在约25ms之后再次接通以便制动。在约17ms时，开关的接触件开始达到相互接触，由此在此阶段如从v-曲线清楚示出的那样发生反弹。 
图6示出了用于驱动马达的单元，该马达大体上对应于图3中示出的图的，但不同的是第四电容器组7d包括在驱动电路中。数字10和11标示了到马达的连接。三个电容器组7a、7b和7c被安排用于参照图3说明的断开-连通-断开操作。数字71a、72a等标示了相应电容器组的正和负侧。 第四电容器组7d经由两个晶闸管9d和9e连接到电路。这是安排用来放电，以确保该操作动作到达端位置。接通信号经过线12a、12b、12c分别供应到相应的晶闸管9a、9b和9c以启动相应的操作动作。 
图7是图示了图6所示的、与定子绕组连接在一起的单元的电路图。用于制动的晶闸管9e借助于发信号电路12e来接通，以及用于使电容器组7d放电以实现端位置的晶闸管9d借助于发信号电路12d来接通。功率供应从电流源13获得。 
图8示出了根据本发明用于断开带有三个马达5A、5B、5C的三相的完整操作装置。用于相1的马达5A的操作是根据以上所述经由带有电容器组7a、7b、7c和7d的驱动电路6A来执行。以对应的方式，用于其它相的马达5B和5C经由类似的(但未示出)驱动电路6B、6C来操作。驱动电路从公共电流源13获得它们的功率供应。 
上述发明的马达的应用仅应视为实例，并且应当理解其它应用亦在本发明的范围以内。 
在该马达适合于执行操作动作序列的那些情况，如，例如开关的断开-连通-断开，转子的旋转动作可始终以相同方向发生。替选地，旋转的方向可在操作行为之间反向。 

Claims (14)

1.一种用于操作电元件的旋转电马达(5)，所述马达(5)适合于在该马达(5)的转子的有限预定角运动期间的操作动作，所述马达包括用于该马达的绕组的电驱动电路(6)，特征在于该电路(6)具有包括与定子绕组串联连接的电能量组(7)和晶闸管(9)的至少一个分路，该能量组(7)包括电容器装置。
2.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于每个分路包括与该能量组(7)并联连接的二极管(8)。
3.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于该晶闸管(9)适合于在该转子已经进行少于该角运动的足足一半时关断。
4.根据权利要求3的旋转电马达，特征在于该晶闸管(9)适合于在已经关断之后再接通以实现制动阶段。
5.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于所述角运动在155°-205°的区间中。
6.根据权利要求5的旋转电马达，特征在于所述角运动约为180°。
7.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于该晶闸管安排成保持接通直到该能量组耗尽。
8.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于该驱动电路包括并联连接的三个所述分路(6a、6b、6c)。
9.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于该马达(5)是单相马达。
10.根据权利要求1的旋转电马达，特征在于该马达(5)的转子是永磁转子。
11.根据权利要求1旋转电马达，特征在于该转子是两极转子。
12.一种用于借助由旋转电马达实现的旋转动作来操作电元件的方法，该马达的转子连接到该电元件，由此通过驱动电流经过该马达的绕组来使该马达进行有限的预定角运动，特征在于该马达是根据权利要求1-11中任一项的旋转电马达。
13.一种根据权利要求1-11中任一项的旋转电马达的用途，用于断开或连通电流。
14.一种电开关，特征在于该开关的操作装置包括根据权利要求1-11中任一项的旋转电马达(5)。
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