電氣部件以及用於控制電氣部件的方法
2023-12-11 14:10:17 3
專利名稱：電氣部件以及用於控制電氣部件的方法
電氣部件以及用於控制電氣部件的方法
現有技術本發明涉及具有電感性負載比如電磁鐵、繼電器或變壓器的電氣部件領域。這樣的電氣 部件具有設置於磁芯上的繞組。一種非常高電感性負載的例子是機動車內燃機啟動機或起動器的開關繼電器和接合繼電器(Einrueckrelais )。在此，圖I示出了按照現有技術的電氣部件11的第一實施例的示意圖。該部件11具有繞組12、1 2，其圍繞磁芯12來設置。出於簡明的目的以及為了使附圖與下文的等式相一致，在附圖中當前所示的許多部件都通過其特徵值來表示。比如繞組12、1 2通過其電感L2和其電阻R2來參照。另外該電氣部件11還具有一個開關S2,以開關該繞組L2、R2。在藉助該開關S2斷開該繞組!^、民時，在該開關S2上下降一個開關電壓US2。如果如在圖I中在斷開時不採取措施以卸除(Loeschen)繞組L2、R2的電感性負載,那麼在斷開時的電位Us2就繼續下降,使得在那裡要麼產生電弧，要麼產生雪崩擊穿。作為對此的等效電路圖，圖2示出了根據本發明的電氣部件21的第二例子的示意圖。該電氣部件21如在圖I中一樣具有圍繞磁芯22的繞組L2、R2和開關S2。為了表明參照圖I所解釋的電弧效應或者雪崩擊穿效應，在圖2中示出了一個齊納二極體Dav。另外在圖2中該參考符號Pv示出了在斷開該開關S2時的擊穿功率。該擊穿效應通常對於開關性部件21是非常有害的，並可能導致其毀壞。因此設置有保護電路。對此，圖3示出了按照現有技術的一種電氣部件31的一個第三例子的示意圖。該電氣部件31如同圖I和2的電氣部件11和21 —樣來構造，並因此具有圍繞磁芯32的繞組L2、R2和開關S2。在此該電氣部件31也具有利用圖2所述的齊納二極體Dav。保護電路的一種形式是在圖3中所示的自振蕩極管33。該自振蕩極管33為了提高卸除電壓還與一個齊納二極體Dltresdl相串聯。該齊納電壓越高，該電感性負載的能量越能夠迅速地被去除。當然該二極體電壓和該齊納二極體電壓下降之和必須小於該開關S2的擊穿電壓，否則有可能損壞該部件31。另外諸如繼電器、電磁鐵或變壓器的這些部件在能量高和斷開時間短的情況下必定可能承受非常高的損耗功率。如果經常進行開關過程，那麼這是尤其苛刻的。經常進行開關過程的一個例子是該電氣部件的時鐘化控制或受調節的控制。如果首先比如在送入磁鐵時應該流過一個高的送入電流，或者應該流過一個高的接通電流，該電流稍後比如在保持磁鐵時應該下降，那麼這種藉助兩點調節或脈寬調製而進行的受調節或受電流調節的控制比如就可以被採用。在接通時應該被全導通，相反在保持時進行交替的開關過程。實現這種行為的另一種常規可能是，劃分為接通繞組和保持繞組。為此，圖4示出了按照現有技術的電氣部件41的一個第四實施例的示意圖。在此該電氣部件41具有兩個繞組Lp R1和L2、R2,其圍繞在一個共同的磁芯42上。為了開關該第一繞組L1A1而設置了第一開關Sp類似地為了開關該第二繞組L2、R2而設置了第二開關S2。在該開關3:和S2上在開關過程時所下降的電壓用Usi和Us2來表示。比如該第一繞組LpR1可以作為保持繞組來構造。那麼該第二繞組L2、R2就可以作為接通繞組來構造。在此該接通繞組l2、r2如此來設置，使得實現了該接通繞組l2、r2所需的以典型相對高電流的迅速接通。然後可以切換到該保持繞組1^、1 2，該保持繞組具有明顯較小的電流需求(R1 >>R2)。如在圖4中所示的這種部件比如在常規的啟動繼電器中是已知的。另外還把電容器用作快速卸除元件或存儲元件。從而一方面能夠快速地從磁路提取能量，另一方面可以提供能量以在接通時在短時的響應時間內進行升壓。因為電感性負載在確定的情況下可能存儲有非常高的能量量，比如啟動繼電器達到I焦耳的範圍，所以保護電路的耗費和成本可能變得相對高。
本發明的公開
本發明所基於的知識是，工作繞組在斷開時所產生的電感性負載可以以簡單的方式並造價合理地通過具有附加繞組的卸除迴路而被卸除。在此該附加繞組或卸除繞組可以如工作線圈一樣纏繞或設置在同一磁芯上，尤其鐵磁芯上。斷開工作繞組的時間點觸發該卸除迴路的接通，並從而激活該卸除繞組以卸除該工作線圈的電感性負載。因此推薦了一種電氣部件，其具有磁芯、第一繞組和第二繞組。在此該第一繞組以及該第二繞組都圍繞該磁芯設置、尤其纏繞。該第二繞組可以藉助開關而被接通和斷開。在藉助該開關斷開該第二繞組時，該第一繞組通過一個卸除迴路而被短路以卸除該第二繞組的電感性負載。從而該第一繞組用作第二繞組的卸除繞組，該第二繞組優選作為該電氣部件的工作繞組來構造。此外還推薦了用於機動車的啟動器或啟動系統，其具有如上所述的電氣部件。該啟動系統另外還可以包含啟動電動機。另外還推薦了用於控制電氣部件的方法，其中該電氣部件具有磁芯、圍繞該磁芯而設置的第一繞組、圍繞該磁芯而設置的第二繞組以及用於接通和斷開該第二繞組的開關，該方法具有通過卸除迴路對該第一繞組短路的步驟，以在斷開該第二繞組時來卸除該第二繞組的電感性負載。在從屬權利要求中有如在權利要求I中所述的電氣部件的有利改進和擴展。根據一個優選的改進，該第二繞組作為該電氣部件的工作繞組來構造。該第一繞組作為用於卸除該工作繞組的電感性負載的卸除繞組來構造。從而該第一繞組能夠以簡單而造價合理的方式來卸除該工作繞組(第二繞組)的電感性負載。從而有利地不需要為該部件設置另一自己的保護電路。根據另一優選的改進，該卸除迴路作為短路迴路來構造，其由第一繞組和閉合電阻組成的串聯電路構成。該第一繞組具有確定的匝數、確定的電感和確定的電阻。該卸除迴路作為短路迴路的這種構造是用於卸除該第二繞組電感性負載的一種非常簡單的電路技術解決方案。根據另一優選的改進，該第一繞組作為與第二繞組分離構造的無功繞組(Blindwicklung)而設置在該電氣部件的共同磁芯上。從而本發明的卸除迴路的這種改進僅需要兩個額外的元件，也即該卸除繞組和該閉合電阻。根據另一優選的改進，該卸除迴路作為該第一繞組與閉合電阻的並聯電路而構造在用於開關該第一繞組的另一開關與地之間。通過使用所述另一開關，能夠有利地也把該第一繞組作為工作繞組來運行。在此該第一繞組優選地適於在藉助所述另一開關進行接通時來作為工作繞組來工作。優選地所述另一開關設置用於在藉助該第二繞組的開關斷開該第二繞組時來接通該第一繞組。下面來詳細解釋本發明的電氣部件的工作原理。在本說明以及本權利申請的意義上，R1表不該第一繞組的電阻，L1表不該第一繞組的電感，Ii1表不該第一繞組的阻數，R2表示該第二繞組的電阻，n2表示該第二繞組的匝數，L2表示該第二繞組的電感，Rk表示該卸除電路的閉合電阻，Uv表示該電氣部件的供電電壓，Uav表示該第二繞組的開關S2的擊穿電壓，I2表示流過該第二繞組L2、R2的電阻R2的電流。在此在該第一和第二繞組的電阻％、R2和匝數叫、n2之間的 比優選地根據施加在該電氣部件上的供電電壓Vv和該第二繞組的開關S2的擊穿電壓Uav如此來調節，使得該擊穿電壓Uav小於在供電電壓Vv與在開關過程中在開關S2上降落的開關電壓Us2之間的電壓差。磁芯中的磁通O在斷開的小時間段內保持恆定。因此在斷開之前I1=O並且I2古0 :
* = I/ * n,(1)
在開關S2斷開之後變成12=0，並從而
I/ = b ^ J1 Jii{2)
在由U、RJRk組成的卸除迴路中從而該電流I1以衰減時間常數T =IV(RfR1)下降
l,(t) = I,' * exp(-i/i)(3)
直接在斷開之後電流消耗為最大
L1 d/iWi'= -(RK+Rir(4)
為了把全部能量卸除到該卸除迴路中，在Uv和Us2之間的電壓差不允許超過該擊穿電壓的值Uav (該開關&的電弧電壓或雪崩電壓)
Uy - Us2 < Uav mit Us2 = d./dt = L1 * dl, / dt(5)
利用等式(4)和(3)得到了直接在斷開之後的如下卸除條件
(Rk+Ri) * n /r i > (Uiw-Us) 1
或(RK+Rf) / R * n /n, > (Uiw-U,} / Uv 其中丨2._=0//%。根據另一優選的改進，該電氣部件作為電磁鐵、繼電器或變壓器來構造。比如對於繼電器是機動車啟動器的開關繼電器或接合繼電器。
根據另一優選的改進，各個開關作為場效應電晶體(FET)來構造。本發明的其他實施例在附圖中示出，並在下文說明中來更詳細解釋。其中
圖I示出了按照現有技術的一種電氣部件的第一例子的示意圖，
圖2示出了按照現有技術的一種電氣部件的第二例子的示意圖，
圖3示出了按照現有技術的一種電氣部件的第三例子的示意圖，
圖4示出了按照現有技術的一種電氣部件的第四例子的示意圖，
圖5示出了根據本發明的部件的第一實施例的示意圖，
圖6示出了根據本發明的部件的第二實施例的示意圖，
圖7示出了根據本發明的部件的第三實施例的示意圖，
圖8示出了根據本發明的部件的第四實施例的示意圖，
圖9示出了根據本發明的圖5的電氣部件的示意等效電路圖，
圖10示出了根據本發明的圖6的電氣部件的示意等效電路圖，
圖11、12示出了常規電氣部件的示意等效電路圖，
圖13-16示出了具有額外示出電感的圖9-12的示意等效電路圖，
圖17示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的測量例子， 圖18示出了仿真的與圖17相對應的一個例子，
圖19示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的擊穿功率的一個仿真例子，
圖20示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的在卸除條件邊界上擊穿功率的一個仿真例子，
圖21示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的在較大供電電壓時擊穿功率的一個仿真例子，
圖22示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的在較大供電電壓時卸除邊界的一個仿真例子，
圖23示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的超出的卸除邊界的一個仿真例子，
圖24示出了根據本發明的用於控制電氣部件的一個實施例的流程圖。在圖5中示出了根據本發明的電氣部件51的第一實施例的示意圖。該電氣部件51具有磁芯52、圍繞該磁芯52設置的第一繞組Lp R1以及圍繞該磁芯設置的第二繞組L2、R2。該第二繞組L2、R2可以藉助一個開關S2來接通和斷開。在該電氣部件51上施加有供電電壓Uv。在斷開該第二繞組L2、R2時,在該開關S2上降落開關電壓US2。此外該電氣部件51還具有卸除迴路53，其由該第一繞組的電感L1、該第一繞組的電阻R1和閉合電阻Rk組成。從而在藉助該開關S2斷開該第二繞組L2、R2時，該第一繞組U、R2通過該卸除迴路53被短路，以卸除該第二繞組L2、R2的電感性負載。在圖6中所不的具有磁芯62、第一繞組Lp R1和第二繞組L2、R2的電氣部件61與圖5的實施例不同之處在於該卸除迴路的構造以及其中設置有另一開關S1。圖6的該卸除迴路63作為該第一繞組U、R1和該閉合電阻Rk的並聯電路而構造在用於開關該第一繞組LpR1的所述另一開關S1與地之間。從而該第一繞組L1A1不僅用作該第二繞L2、R2的卸除繞組，而且還用作獨立的工作繞組。此外圖7示出了電氣部件71，其中所述另一工作繞組U、R1通過該並聯電阻Rk而作為卸除繞組來工作。在此，圖7的電氣部件71的卸除迴路73由Rp L1和Rk來構造。圖8的實施例相反與圖7的實施例不同之處在於,在該電氣部件81中相對於電氣部件71還示出了附加的電感Llp和L2p。所述附加電感Llp和L2p體現了在實際中由於漏磁通和所存在的導線而產生的電感。圖9示出了根據本發明的圖5的部件51的示意等效電路圖。在此圖9的電氣部件91對應於圖5的電氣部件51，其中繪製了齊納二極體Dav作為在該開關S2上所出現的擊穿電壓的反映。該擊穿功率用Pv來表不。 另外圖10示出了根據本發明的圖6的電氣部件的部件101的示意等效電路圖。對
應於圖9而繪製了齊納二極體Dav和D16SC;h。此外圖10的部件101還具有一個自振蕩極管104。另外圖10還示出了一個等效電路圖，其具有該第一繞組RpL1和R2、L2的並聯卸除電路103。為了對此進行比較，圖11和12示出了常規電氣部件111和112的示意等效電路圖，其中在開關過程中在相應齊納二極體Dav上相應出現了擊穿電壓Pv。圖13-16示出了圖9-12的具有附加繪製的電感Llp和L2p的示意等效電路圖，其尤其體現了實際所存在的線路電感。在此圖13-16示出了由於所出現的寄生電感Llp和L2p而對上述卸除條件的進行變動的可能性。在圖17中示出了用於把圖10的本發明部件的等效電路圖與圖12的常規部件的等效電路圖相比較的一個測量例子。圖17具體示出了啟動繼電器的測量例子，其具有雙繞組的單獨控制的繞組。在具有卸除繞組的上面(圖10的區域中)以及不具有卸除繞組的下面(圖12的區域中)記錄了在自振蕩路徑中的電流、電壓和損耗功率。該自振蕩極管104及124 (見圖10和12)的卸除功率在具有卸除繞組時僅僅是微小的。從而示出了該卸除繞組R2、L2的效果。在沒有自振蕩的情況下該擊穿電壓Vav是較高的，並且它可完全通過該卸除繞組U、R2而被卸除。對於圖17 如下地選擇值UV=1. 5V, R1=L 4Q , Ii1=IlO, R2=2. 8 Q , n2=150，Rk=O，Ud=O. 7V。在圖18中示出了具有附加齊納二極體的一個相應的仿真例子。由此還可以增大閉合電阻或短路電阻rk。另外圖19示出了按照圖10的具有卸除繞組的以及按照圖12的不具有卸除繞組的擊穿功率的一個仿真例子。參照圖12所示的虛線而示出，在沒有卸除路徑的情況下出現了電弧電壓或雪崩電壓。此外圖19還示出，該擊穿電壓Vav越高，該卸除路徑的效果越好，因為通過較高的擊穿電壓Vav該卸除繞組在圖10中相對於圖19在沒有自振蕩路徑的情況下而非常有效地工作。僅僅需要卸除在開關S2上的具有微小能量的寄生電感。對於圖19 如下地選擇值UV=1. 5V, R1=L 4Q , n^llO, R2=2. 8 Q , n2=150, Rk=I Q，Uav=50V。圖20示出了在卸除條件邊界上擊穿電壓的一個仿真例子。在此圖20示出，通過較高的擊穿電壓，該衰減時間常數T=IV(Ri^1)可被縮小。在此這裡針對卸除的極限情況主要通過該卸除繞組來體現。
對於圖20 如下地選擇值UV=1. 5V, R1=L 4Q , n^llO, R2=2. 8 Q , n2=150，Rk=IO Q ,
Uav=50V。另外圖21示出了在較大供電電SVv情況下擊穿功率的一個仿真例子。在此圖21尤其示出，隨著供電電壓Vv的增大，該衰減時間常數T必定變大。那麼就完全通過該卸除繞組而被卸除。對於圖21 如下地選擇值UV=12. 5V, R1=L 4Q , n^llO, R2=2. 8 Q , n2=150, Rk=I Q，Uav=50V。另外圖22示出了在較大供電電壓下卸除界限的一個仿真例子。在該極限情況下主要通過該卸除繞組來卸除。 對於圖22 如下地選擇值UV=12. 5V, R1=L 4Q , n^llO, R2=2. 8 Q , n2=150, RK=5 Q ,Uav=50V。從而得到Rk的計算值〈4. 76 Q。圖23示出了超出卸除界限的一個仿真例子。在此圖23具體示出，在卸除迴路中閉合電阻Rk繼續增大的情況下，衰減時間常數沒有繼續縮小，卸除效果被削弱。也就是說，在閉合電阻Rk太大的情況下，可以把時間常數T選擇為太小，使得在開關S2上可以進行擊穿。對於圖23 如下地選擇值UV=12. SVjR1=L 4Q ,ri^llO, R2=2. 8 Q , n2=150, Rk=IO Q ,
Uav=50V。圖24示出了用於控制電氣部件51的本發明方法的一個實施例的示意流程圖。圖24的實施例具有方法步驟241和242，並參照圖5來解釋
方法步驟241
提供一個電氣部件51，其具有磁芯52、第一繞組Lp R1、第二繞組L2、R2、以及用於接通和斷開該第二繞組L2、R2的開關S2。方法步驟242
該第一繞組U、R1在該第二繞組L2、R2斷開時通過卸除迴路53而被短路，以卸除該第二繞組L2、R2的電感性負載。
權利要求
1.電氣部件(51-101，131，141)，具有 磁芯(52-102，132，142)、圍繞該磁芯設置的第一繞組(L1, R1)以及圍繞該磁芯設置的第二繞組(L2，R2),其中該第二繞組可以藉助開關(S2)而被開關， 其中該第一繞組(L1, R1)在斷開該第二繞組(L2，R2)時可以通過ー個卸除迴路(53，103，133，143)而被短路，以卸除該第二繞組(L2，R2)的電感性負載。
2.根據權利要求I所述的部件，其中該第二繞組(L2，R2)作為該部件的工作繞組來構造，該第一繞組(L1, R1)作為卸除繞組來構造，以卸除該工作繞組(L2，R2)的電感性負載。
3.根據權利要求I或2所述的部件，其中該卸除迴路(53-103，133，143)作為短路迴路來構造，該短路迴路由該第一繞組(L1, R1)和閉合電阻(Rk)的串聯電路組成，該第一繞組具有確定的匝數(Ii1)，具有確定的電感(L1)並具有確定的電阻(R1)。
4.根據前述權利要求之一所述的部件，其中該第一繞組(L1,R1)作為與該第二繞組(L2, R2)分離構造的無功繞組而設置在共同的磁芯(52-102，132，142)上。
5.根據前述權利要求之一所述的部件，其中該卸除迴路(63-103，133，144)作為該第ー繞組(L1, R2)和閉合電阻(Rk)的並聯電路而構造在用於開關該第一繞組(L1, R2)的另ー開關(S1)與地之間。
6.根據前述權利要求之一所述的部件，其中所述另ー開關(S1)設置用於在藉助該開關(S2)斷開該第二繞組(L2，R2)時來接通該第一繞組(L1, R1).
7.根據前述權利要求之一所述的部件，其中該第一繞組(L1,R1)在藉助所述另ー開關(S1)接通時作為工作繞組來工作。
8.根據前述權利要求之一所述的部件，其中在該第一和第二繞組(L1,R1 ;L2，R2)的電阻(R1, R2)和匝數U1, n2)之間的比根據施加在該電氣部件上的供電電壓(Vv)和該第二繞組(L2, R2)的開關(S2)的擊穿電壓(Uav)來調節，使得該擊穿電壓(Uav)小於在該供電電壓(Vv)與在開關過程中在該開關(S2)上降落的開關電壓(Us2)之間的電壓差。
9.根據權利要求8所述的部件，其中該比值滿足以下的條件 (R + Rt) * η / Π} > (Ua%-買 Uv)/1其中R1表示該第一繞組的電阻，Ii1表示該第一繞組的匝數，n2表示該第二繞組的匝數，Rk表示該卸除迴路的閉合電阻，Uv表示該供電電壓，Uav表示該第二繞組(L2，R2)的開關(S2)的擊穿電壓，以及I2表示流過該第二繞組(L2，R2)的電阻(R2)的電流。
10.根據前述權利要求之一所述的部件，其中該部件作為電磁鐵、作為繼電器、尤其作為開關繼電器和接合繼電器、或者作為變壓器來構造。
11.根據前述權利要求之一所述的部件，其中各開關(S1,S2)作為場效應電晶體來構造。
12.機動車的啟動器，具有 根據前述權利要求之一所述的電氣部件(51-101，131，141)。
13.用於控制電氣部件(51-101，131，141)的方法，其中該電氣部件具有磁芯(52-102，.132,142)、圍繞該磁芯設置的第一繞組(L1, R1 )>圍繞該磁芯設置的第二繞組(L2, R2)>以及用於開關該第二繞組(S2)的開關(S2)，該方法具有 在斷開該第二繞組(L2, R2)時通過一個卸除迴路(53-103，133，143)來短路該第一繞組(L1, R2)以卸除該第二繞組(L2，R2)的電感性負載 。
全文摘要
根據本發明，具有一個磁芯(52)、圍繞該磁芯設置的第一以及第二繞組(L1,R1,L2,R2)的一種電氣部件如此被控制，使得該第一繞組(L1,R1)在斷開該第二繞組(L2,R2)時通過一個卸除迴路(53)被短路，以卸除該第二繞組的電感性負載。
文檔編號H01H50/44GK102696088SQ201180006018
公開日2012年9月26日 申請日期2011年1月13日 優先權日2010年1月14日
發明者H.許勒, S.哈特曼, S.圖姆巴克 申請人:羅伯特·博世有限公司