CN112350522B - 一种保护装置和无刷电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种保护装置和无刷电机系统，用于降低无刷电机系统成本以及保证无刷电机的正常运行。该保护装置包括：灭磁装置和控制装置；灭磁装置用于跨接在整流电路和励磁绕组之间，并用于在无刷电机系统故障时，消耗励磁绕组上产生的多余电能；控制装置用于分别与励磁供电电路和控制器连接，并用于检测励磁供电电路输入端和输出端的电参数，以及在确定电参数超出预设阈值时，向控制器报警以及调整励磁供电电路输出的电参数。

Description

一种保护装置和无刷电机

技术领域

本申请涉及到电机技术领域，尤其涉及到一种保护装置和无刷电机系统。

背景技术

现有的电机以永磁同步电机为主,为了提高电机在高速区域的效率及减少对稀土的依赖,无刷同步电机成为了可行的解决方案。无刷同步电机主要包括电枢绕组、整流电路、励磁绕组、励磁供电电路、变压器和控制器，励磁供电电路接收直流电源输出的电压，并将该电压转换为励磁绕组的供电的交流电压后通过变压器输出给整流电路，整流电路将接收的交流电压转换为直流电压后直接输出给励磁绕组供电，控制器用于控制电枢绕组的供电。实际使用时，励磁绕组附近需要设置保护电路，用于将电机发生故障或负载突变时在励磁绕组上产生电动势的能量转移或消耗。同时，由于在无刷同步电机中,因为变压器原边和副边并未直接相接,当励磁绕组出现异常时,需要设置报警装置将电机发生故障时向控制器发出报警以及断开励磁供电电路与励磁绕组的连接，来保护电机的运行安全。

由于励磁绕组处于高速旋转，为了保证励磁绕组的散热，保护电路设置在励磁绕组上，但是报警电路无法设置在励磁绕组上。目前，电机的报警电路主要设置在电枢绕组上，该报警电路可以通过设置在电枢绕组上的特殊检测绕组检测电枢绕组上的电参数确定电机是否发生故障，以及在无刷电机发生故障时，向控制器报警，并断开励磁供电电路与直流电源的连接，从而避免励磁供电电路和整流电路的损坏。

但是采用该报警电路对控制器报警时，增加了成本较高的检测绕组，且在电动势的能量消耗完毕时，无法自动恢复直流电源与励磁供电电路的连接，从而影响电机的运行。

因此，现有电机的故障保护方式还有待进一步研究。

发明内容

本申请提供了一种保护装置和无刷电机，用于降低电机故障时的保护成本以及保证电机正常运行。

第一方面，本申请实施例提供了一种保护装置，该装置应用于无刷电机系统中，该无刷电机系统包括保护装置、控制器、电枢绕组、整流电路、与整流电路连接的励磁绕组、励磁供电电路以及连接在整流电路和励磁供电电路之间的变压器。

具体地，该保护装置可以包括：灭磁装置和控制装置。

其中，灭磁装置可以跨接在整流电路和励磁绕组之间，并用于在无刷电路故障时，消耗励磁绕组上产生的多余电能。控制装置用于分别与控制器和励磁供电电路连接，并用于检测励磁供电电路输入端和输出端的电参数，以及在确定该电参数超出预设阈值区间时，向控制器报警以及调整励磁供电电路输出的电参数。

进一步的，灭磁装置输出的电压的方向与整流电路输出的电压的方向相同。灭磁装置3输出的电压方向与整流电路输出的电压方向相同，其具体含义可以是：灭磁装置与整流电路串联连接，则整流电路输出高电位的一端与灭磁装置中接收高电位的一端连接，整流电路输出低电位的一端与灭磁装置中接收低电位的一端连接。

采用上述装置结构，由于励磁供电电路与励磁绕组所在路径通过变压器耦合连接，当电机故障在励磁绕组上产生多余能量时，也会导致励磁供电电路上的电参数产生波动，因此可以通过检测励磁供电电路上的电参数确定电机是否发生故障，由于励磁供电电路上的电流较小，因此可以通过成本较低器件实现检测功能，以及根据无刷电机的故障情况调整励磁供电电路输出的电参数，从而实现降低保护成本的同时保证电机的正常运行。

在一种可能的设计中，控制装置可以包括：第一采样电路、第二采样电路和控制模块。

其中，控制模块分别与第一采样电路的输出端和第二采样电路的输出端连接。

其中，第一采样电路的电流输入端用于与励磁供电电路的输入端连接并采样励磁供电电路的输入端电流，第一采样电路的电压输入端的两个端点用于分别与励磁供电电路的输入端的两个端点连接并采样励磁供电电路输入端两端的电压；第二采样电路的输入端用于与励磁供电电路的输出端连接并采样励磁供电电路输出端的电流；控制模块用于分别与控制器和励磁供电电路的控制端连接，以及用于接收第一采样电路和第二采样电路输出电流和电压，并在确定接收的电流和电压超出预设阈值时，向控制器报警以及调整励磁供电电路输出的电参数。

采用上述装置结构，可以通过采样电路采集到特定电参数检测无刷电机是否发生故障，以及在无刷电机故障时，可以通过控制模块降低励磁供电电路输出的电参数，从而避免加重无刷电机的故障，以及保证无刷电机的故障排除后，电机可以正常运行。

在一种可能的设计中，灭磁装置可以包括：吸收电路和开关电路。

其中，吸收电路用于与励磁绕组连接，并用于在无刷电机系统故障时，消耗励磁绕组上产生的多余电能；开关电路用于分别与整流电路和吸收电路连接，并用于在励磁绕组上产生第一方向的多余电能时，断开整流电路和励磁绕组的连接，以及在第一反向的多余电能消耗完毕时，恢复整流电路与励磁绕组的连接。

采用上述装置结构，可以通过吸收电路吸收励磁绕组上产生的多余电能，以及在励磁绕组上产生的电能方向为第一方向时，可以断开整流电路和励磁电路的连接，从而避免励磁绕组上的电动势的能量损坏整流电路，保护无刷电机中器件的安全。

在一种可能的设计中，开关电路包括：第一开关、第一电阻和第一电容。

其中，第一电阻的第一端用于分别与整流电路的第一输出端和吸收电路的第一端连接，第一电阻的第二端分别与第一电容的第一端和第一开关的第一端连接；第一电容的第二端用于与整流电路的第二输出端；第一开关的第二端用于与吸收电路的第二端连接，第一开关的控制端与第一电容的第二端连接。

采用上述装置结构，可以通过第一电容的第二端连接，通过第二电容的充电时间来改变第一开关的状态实现在电机故障时断开连接，保证励磁绕组以及与励磁绕组连接的器件不会因承受过电压而损坏。

在一种可能的设计中，开关电路还包括：稳压二极管。

其中，稳压二极管的阴极与第一电容的第一端连接，稳压二极管的第二端与第一电容的第二端连接。

采用上述装置结构，可以采用稳压二极管限制第一开关的启动电压数值，避免第一电容一直充电造成的能源浪费。

在一种可能的设计中，灭磁电路还包括：开关辅助电路，开关辅助电路与开关电路连接，开关辅助电路用于控制开关电路的开启时刻和关断时刻。

采用上述装置结构，可以通过开关辅助电路准确的控制开关电路的开启时刻和关闭时刻。

在一种可能的设计中，开关辅助电路包括：第二开关、第二电阻、第一二极管和第二电容。

其中，第二开关的第一端与第一电阻的第二端连接，第二开关的第二端与第一电容的第二端连接；第一二极管的阳极与第二开关的第二端连接，第一二极管的阴极分别与第二电容的第一端和第二开关的控制端连接；第二电容第二端与第二电阻的第一端连接；第二电阻的第二端与吸收电路的第二端连接。

采用上述装置结构，通过第二开关控制开关电路中第一电容的充电时刻和放电时刻，从而实现准确的控制开关电路的开启时刻和关闭时刻。

在一种可能的设计中，第一采样电路包括：第一电流传感器和第一电压传感器。

其中，第一电流传感器的输入端用于与励磁供电电路的输入端连接，第一电流传感器的输出端与控制模块连接；第一电压传感器的输入端的两个端点用于与励磁供电电路的输入端两端连接，第一电压传感器的输出端与控制模块连接。

采用上述装置结构，可以通过电压传感器和电流传感器采样到励磁供电电路输入端的电参数。

在一种可能的设计中，第二采样电路包括：第二电流传感器。

其中，第二电流传感器的输入端用于与励磁供电电路的输出端连接，第二电流传感器的输出端与控制模块连接。

采用上述装置结构，可以通过第二电流传感器采样到励磁供电电路输出端的电参数。

在一种可能的设计中，在整流电路包括整流桥时，检测电路还包括：第二瞬态抑制二极管。

其中，第二瞬态抑制二极管的第一端用于与整流电路的第一输出端连接，第二瞬态抑制二极管的第二端用于与整流电路的第二输出端连接。

采用上述装置结构，在整流电路只包含整流桥时，为了避免整流桥输出电压的波动，可以设置第二瞬态抑制二极管对整流器输出的电压进行钳位。

在一种可能的设计中，开关辅助电路还包括：第三瞬态抑制二极管。

其中，第三瞬态抑制二极管的第一端与第二电阻的第二端连接，第三瞬态抑制二极管的第二端与吸收电路的第二端连接。

采用上述装置结构，避免电动势的电能造成开关电路误动作。

第二方面，本申请实施例提供了一种无刷电机系统，该无刷电机系统可以包括：电枢绕组、整流电路、励磁绕组、励磁供电电路、变压器、控制器和本申请实施例第一方面以及任一可能的设计中提供的保护装置。

其中，励磁供电电路的输入端用于与直流电源连接，励磁供电电路的输出端与变压器的原边连接；变压器的副边与整流电路的输入端连接；保护装置跨分别与整流电路、励磁绕组、励磁供电电路和控制器连接；电枢绕组与控制器连接；控制器与供电电源连接。

采用上述系统结构，可以采用第一方面提供的保护装置，降低无刷电机系统的故障检测成本以及保证无刷电机的正常运行。

附图说明

图1为一种应用场景的结构示意图；

图2为现有技术中一种保护装置的结构示意图；

图3为本申请实施例一种保护装置的结构示意图；

图4为本申请实施例一种灭磁装置的结构示意图一；

图5为本申请实施例一种励磁供电电路输出功率曲线图；

图6为本申请实施例一种第一开关驱动信号电压曲线图；

图7为本申请实施例一种第一开关电压曲线图；

图8为本申请实施例一种灭磁装置的结构示意图二；

图9为本申请实施例一种保护装置的电路结构示意图一；

图10为本申请实施例一种保护装置的电路结构示意图二；

图11为本申请实施例一种无刷电机系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的无刷电机系统可以应用于电动汽车、数控机床、移动机器人等技应用场景中。该无刷电机系统可以为无刷电动机系统也可以是无刷发电机系统。

目前，无刷电机系统的结构框图如图1所示，在图1中，无刷电机系统中包括电枢绕组、整流电路、励磁绕组、励磁供电电路、变压器和控制器。励磁供电电路接收直流电源输出的电压，并将该电压通过励磁供电电路转换为交流电后通过变压器输出给整流电路。整流电路将接收的交流电压转换为直流电压后直接输出给励磁绕组供电，控制器用于控制电枢绕组的供电，电枢绕组产生旋转磁场带动励磁绕组转动，从而实现无刷电机系统运行。

实际使用时，需要在无刷电机系统中设置保护装置，运行过程的无刷电机系统进行保护。具体地，参见图2所示，为保护装置一种可能的结构，包括吸收模块和报警模块，吸收模块连接在励磁绕组和整流电路之间，报警模块分别与电枢绕组、控制器和励磁供电电路连接。吸收模块可以在由于无刷电机故障在励磁绕组产生电动势时，将该电动势消耗掉，报警模块可以通过在电枢绕组上设置的检测绕组检测电枢绕组上的电参数，并根据检测的电参数确定无刷电机系统上是否发生故障，以及在确定无刷电机系统发生故障时，向控制器报警，同时为了避免直流电源输出的电能加重系统的故障程度，断开励磁供电电路与直流电源连接。

但是采用该保护装置，对无刷电机系统进行保护时，由于电枢绕组上流过的电流数值较大，需要在电枢绕组上安装专门的检测绕组进行检测，增加了无刷电机系统的成本以及在断开励磁供电电路与直流电源的连接后，无法控制励磁供电电路与直流电源恢复连接的时间，严重时影响无刷电机系统的正常运行。

因此，现有技术中的无刷电机系统的保护装置，增加了无刷电机系统的成本以及无法保证电机的正常运行。因此，本申请实施例提供了一种保护装置和无刷电机系统，用于降低无刷电机系统的成本以及保证无刷电机系统的正常运行。

本申请实施例中“或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在两种关系，例如，A或B，可以表示：单独存在A，单独存在B的情况，其中A、B可以是单数或者复数。

本申请中所涉及术语“连接”，描述两个对象的连接关系，可以表示两种连接关系，例如，A和B连接，可以表示：A与B直接连接，A通过C和B连接这两种情况。

在本申请实施例中，“示例的”“在一些实施例中”“在另一实施例中”等用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念。

需要指出的是，本申请实施例中涉及的“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。本申请实施例中涉及的等于可以与大于连用，适用于大于时所采用的技术方案，也可以与小于连用，适用于与小于时所采用的技术方案，需要说明的是，当等于与大于连用时，不与小于连用；当等于与小于连用时，不与大于连用。

本申请实施例提供一种保护装置和无刷电机系统，用于实现降低无刷电机的成本以及保证无刷电机系统的正常运行。

参见图3为本申请实施例提供的一种保护装置的结构示意图，该保护装置300应用与无刷电机系统中，该保护装置可以包括：灭磁装置301和控制装置302。

其中，灭磁装置301用于跨接在整流电路和励磁绕组之间，并用于在无刷电机系统故障时，消耗励磁绕组上产生的多余电能；控制装置302用于分别与励磁供电电路和控制器连接，并用于检测励磁供电电路输入端和输出端的电参数，以及在确定电参数超出预设阈值区间时，向控制器报警以及调整励磁供电电路输出的电参数。其中，预设阈值可以根据与励磁供电电路连接的直流电源的类型以及无刷电机连接的负载确定，本申请实施例对此不做详细介绍。

进一步的，灭磁装置301输出的电压的方向与整流电路输出的电压的方向相同。灭磁装置301输出的电压方向与整流电路输出的电压方向相同，其具体含义可以是：灭磁装置301与整流电路串联连接，则整流电路输出高电位的一端与灭磁装置301中接收高电位的一端连接，整流电路输出低电位的一端与灭磁装置301中接收低电位的一端连接，灭磁装置301接收高电位的一端与接收低电位的一端之间的电位差等于整流电路的输出电压。

在保护装置300用于对运行中无刷电机系统进行保护时，当无刷电机系统发生故障时，会在励磁绕组两端产生一个电动势，该电动势产生的磁场会导致励磁绕组以及通过变压器与励磁绕组连接的励磁供电电路上电参数数值发生变化，灭磁装置301吸收励磁绕组两端产生的电动势，控制装置302检测励磁供电电路的电参数，并通过接收的电参数确定无刷电机系统发生故障时，向控制器报警和调整励磁供电电路输出参数。

应理解，为了避免直流电源输出的电能加重无刷电机系统的故障程度，在确定通过检测的电参数数值确定无刷电机系统发生故障时，减少励磁供电电路输出给励磁绕组电能，以及在无刷电机系统故障排除后，即励磁绕组上产生的电动势消耗完毕励磁供电电路上的电参数恢复正常后，增加励磁供电电路为励磁绕组提供的电能，以保证无刷电机系统的正常运行。

具体实现时，励磁供电电路可以是由多个开关管和电感等器件构成的H桥整流电路，励磁供电电路的工作状态可以通过调节这些开关管的驱动信号来实现，当开关管的驱动信号发生变化时，励磁供电电路的工作状态发生变化，励磁供电电路输出的电参数数值也发生变化，从而实现改变励磁供电电路的电参数。

下面，对保护装置300中的灭磁装置301和控制装置302的具体结构进行介绍。

一、灭磁装置301

灭磁装置301连接在整流电路和励磁绕组之间，在无刷电机系统故障时，消耗励磁绕组上产生的多余电能。

具体地，根据与灭磁装置301连接的整流电路的结构，本申请实施例提供的灭磁装置301可以分为2种具体电路结构，下面结合实施例对本申请实施例提供的灭磁装置301的电路结构进行说明，具体可以包括以下两种方案：

方案一、整流电路包括H桥整流电路和与H桥整流电路连接的滤波电容。

灭磁装置301可以包括吸收电路和开关电路。

其中，吸收电路可以用于与励磁绕组连接；开关电路可以用于分别与整流电路和吸收电路连接。

具体地，设置吸收电路的作用是：在无刷电机系统故障时，消耗励磁绕组上产生的多余电能，以避免励磁绕组上产生的多余电能造成与励磁绕组连接的器件损坏；设置开关电路的作用是：在励磁绕组上产生第一方向的多余电能时，断开整流电路和励磁绕组的连接，使励磁绕组上产生的多余电能只能通过吸收电路消耗掉，以及在第一方向的多余电能消耗完毕时，恢复整流电路与励磁绕组的连接。其中，在励磁绕组上产生的电动势输出的电流与励磁绕组的原电流方向相反则确定励磁绕组上产生第一方向的多余电能。其中，励磁绕组的原电流为无刷电机系统未发生故障时的励磁绕组电流。

具体地，吸收电路可以是第一瞬态抑制二极管。

在吸收电路用于吸收励磁绕组上产生的多余电能时，无刷电机故障时在励磁绕组上产生的电动势会造成励磁绕组两端电压发生变化，当励磁绕组两端的电压数值超出第一瞬态抑制二极管的启动电压时，第一瞬态抑制二极管消耗励磁绕组上的电压以及对励磁绕组两端的电压进行钳位，从而避免与励磁绕组连接的器件因承受过电压而损坏。其中，第一瞬态抑制二极管的启动电压可以是无刷电机系统运行过程中励磁绕组的峰值电压。

实际应用中，吸收电路也可以采用其它结构，例如吸收电路可以采用压敏电阻器件，通过压敏电阻实现钳位和吸收电动势的电能，本申请这里不做详细介绍。

其中，开关电路可以包括：第一开关、第一电阻和第一电容。

具体地，第一电阻的第一端用于分别与整流电路的第一输出端和吸收电路的第一端连接，第一电阻的第二端分别与第一电容的第一端和第一开关的第一端连接；第一电容的第二端用于与整流电路的第二输出端；第一开关的第二端用于与吸收电路的第二端连接，第一开关的控制端与第一电容的第二端连接。

可选地，本申请实施例提供的开关电路还可以包括开关辅助电路。

应理解，当励磁绕组上产生第一方向的多余电能时，为了避免器件的损耗，需要控制开关电路断开整流电路和励磁供电电路的连接，可以在开关电路上连接开关辅助电路，以准确的控制开关电路的断开时刻和闭合时刻。

其中，开关辅助电路可以包括：第二开关、第二电阻、第一二极管和第二电容。

具体地，第二开关的第一端与第一电阻的第二端连接，第二开关的第二端与第一电容的第二端连接；第一二极管的阳极与第二开关的第二端连接，第一二极管的阴极分别与第二电容的第一端和第二开关的控制端连接；第二电容第二端与第二电阻的第一端连接；第二电阻的第二端与吸收电路的第二端连接。

为了便于理解，下面给出灭磁装置301的具体示例。

参见图4为本申请实施例提供的一种灭磁装置301的结构示意图。在图4中，TVS1构成吸收电路，R1为第一电阻、D1为第一二极管，K1为第一开关，C1为第一电容，R1、D1、K1和C1构成开关电路，K2为第二开关、D2为第二开关、C2为第二电容、R2为第二电阻，K2、D2、C2和R2构成开关辅助电路。

通过图4所示的灭磁装置实现吸收励磁绕组上产生的多余电能时，TVS1接收励磁绕组上产生的多余电能，能量从右到左，将右侧励磁绕组上产生的多余电能消耗掉。

具体地，TVS1直接与励磁绕组两端连接，当无刷电机故障导致励磁绕组上产生电动势时，该电动势会造成TVS1和励磁绕组两端的电压均发生变。

励磁绕组上的电流方向为从上到下，具体可见图4中箭头的方向，即励磁绕组两端的电位方向为上端为正，下端为负。当无刷电机故障励磁绕组上产生上端为正，下端为负的电动势时，该电动势的方向与励磁绕组上原有电位方向相同，则励磁绕组两端的电压升高，流过励磁绕组的电流减小，相当于增加了无刷电机系统的输出阻抗负载，此时励磁供电电路输出的功率变小，如图5所示为励磁绕组发生故障时的功率变化曲线，由于励磁绕组两端的电压一直处于高压状态，当电压值升高至TVS1的启动电压时，TVS1吸收该电动势的电能并将励磁绕组两端的电压进行钳位，以保证整流电路以及励磁供电电路不会因承受过电压而损坏，同时在TVS1为消耗完该电动势之前，C1一直处于充电状态，K1接收到满足条件的驱动电压，因此K1一直处于闭合状态，此时R2和C2所在支路被K1短路，K2不工作。其中，钳位电压的数值可以根据无刷电机的型号以及与无刷电机系统连接的负载进行确定，本申请实施例这里不做详细介绍。

若无刷电机系统故障在励磁绕组上产生上端为负，下端为正的电动势时，该电动势的方向与励磁绕组上原有电位方向相反，则会造成流过励磁绕组的电流升高，励磁绕组两端的电压减少至零甚至造成励磁绕组上的原有的电位方向改变，励磁绕组两端电压的减少会将整流电路上的两个串联的二极管导通，从而将励磁绕组短路，因此K1的驱动电压为零小于启动电压，K1断开整流电路与励磁绕组的连接，并通过TVS1吸收励磁绕组上产生的电动势。由于此时断开了整流电路与励磁绕组的连接，此时整流电路呈现短路状态，C1通过R1放电，当C1两端的电压导致K1未完全断开时，K1两端电阻增大，C2和R2所在支路导通，流过的K2基极的电流大于K2的启动电流时，K2闭合并将C1存储的电能快速释放，加快K1的断开时间，避免K1长时间留在线性电阻状态造成巨大损耗甚至因此损毁。K1接收不到驱动电压重新断开整流电路与励磁绕组的连接，若此时励磁绕组上电动势未消耗完毕，则重复上述过程，K1的驱动信号Vgs和K1两端电压Vds的电压变化曲线图分别为图6和图7，直至励磁绕组上产生的电动势的能量完全消耗掉。

应理解，K1的断开时刻与开关辅助电路中C1和R1两所在支路的通电时刻有关，为了准确的K1的断开时刻，本申请实施例可以包括第三瞬态抑制二极管，可以通过设置第三瞬态抑制二极管的启动电压数值，准确的控制K1的断开时刻。

方案二、整流电路只包括由开关管构成的H桥整流电路。

灭磁装置301可以包括吸收电路、开关电路和开关辅助电路，还可以包括第二瞬态抑制二极管和第三瞬态抑制二极管。其中，吸收电路、开关电路和开关辅助电路的结构与本申请方案一提供的吸收电路、开关电路和开关辅助电路的电路结构相同，本申请这里不做重复介绍。

应理解，当整流电路中只包括H桥整流电路时，整流电路输出的电压数值会随之整流电路输入电压的波动而波动，且极易受到干扰，为了保证无刷电机系统工作的稳定性，第二瞬态二极管可以与整流电路连接，来稳定整流电路输出电压的稳定性，避免与整流电路连接的器件因承受过电压而损坏。

具体地，第二瞬态抑制二极管的第一端用于与整流电路的第一输出端连接，第二瞬态抑制二极管的第二端用于与整流电路的第二输出端连接。第三瞬态抑制二极管第一端与第二电阻的第二端连接，第二瞬态抑制二极管的第二端与吸收电路的第二端连接。

应理解，由于第二瞬态抑制二极管只能在整流电路输出的电压大于第二瞬态抑制二极管的启动电压时，才会对整流电路输出的电压进行钳位，从而稳定整流电路输出的电压，当整流电路输出的电压小于第二瞬态抑制二极管的启动电压时，可以通过设置第三瞬态抑制二极管的启动电压，来避免由于整流电路输出电压过低造成K1误断开，提高灭磁装置的工作可靠性。

其中，灭磁装置的电路结构可参见图8，其中，第二瞬态抑制二极管为TVS2，第三瞬态抑制二极管为TVS3，由于灭磁装置301消耗励磁绕组上产生的电动势的工作原理与方案一中的工作原理相同，本申请实施例这里不做重复介绍。

二、控制装置302

控制装置302用于分别与励磁供电电路和控制器连接，并用于检测励磁供电电路输入端和输出端的电参数，以及在确定电参数超出预设阈值区间时，向控制器报警以及调整励磁供电电路输出的电参数。

在采用控制装置检测励磁供电电路的电参数时，当无刷电机发生故障造成励磁绕组上产生电动势时，该电动势会造成励磁绕组、整流电路和励磁供电电路的电参数数值发生变化，同时由于励磁绕组两端的电能增加，若励磁供电电路仍为励磁绕组输出高功率，可能会造成励磁绕组以及与励磁绕组连接的整流电路损坏，因此在通过励磁绕组上的电参数数值确定无刷电机系统发生故障时，可以减小为励磁供电电路输出的电流和电压，从而避免整流电路和励磁绕组损坏。

其中，控制装置302可以包括：第一采样电路、第二采样电路和控制模块。

具体地，第一采样电路的电流输入端用于与励磁供电电路的输入端连接并采样励磁供电电路的输入端电流，第一采样电路的电压输入端的两个端点用于分别与励磁供电电路的输入端的两个端点连接并采样励磁供电电路输入端两端的电压；第二采样电路的输入端用于与励磁供电电路的输出端连接并采样励磁供电电路输出端的电流；控制模块分别与第一采样电路的输出端和第二采样电路的输出端连接，控制模块用于分别与控制器和励磁供电电路的控制端连接，以及用于接收第一采样电路和第二采样电路输出电流和电压，并在确定接收的电流和电压超出预设阈值区间时，向控制器报警以及调整励磁供电电路输出的电参数。

其中，第一采样电路可以包括：第一电流传感器和第一电压传感器。第二采样电路可以包括：第二电流传感器。

具体地，所述第一电流传感器的输入端用于与所述励磁供电电路的输入端连接，所述第一电流传感器的输出端与所述控制模块连接；所述第一电压传感器的输入端的两个端点用于与所述励磁供电电路的输入端两端连接，所述第一电压传感器的输出端与所述控制模块连接。第二电流传感器的输入端用于与所述励磁供电电路的输出端连接，所述第二电流传感器的输出端与所述控制模块连接。

其中，第一电流传感器和第二电流传感器可以是但不限于电流采样电阻、分流器、电流互感器或霍尔传感器，第一电压传感器可以是但不限于电压互感器或霍尔传感器。

其中，预设阈值区间包括预设电流阈值区间。具体地，检测励磁供电电路的输出电流并将检测的输出电流与预设电流阈值区间进行比较，在确定输出电流小于预设电流阈值区间的最小值、且基于励磁供电电路输入电流和输出电压计算的功率发生变化时，确定励磁绕组上产生第一方向的电动势，此时减少励磁供电电路输出的电参数。同时，检测励磁供电电路的输出电流并将检测的输出电流与预设电流阈值区间进行比较，在确定输出电流大于预设电流阈值区间的最大值、且基于励磁供电电路输入电流和输出电压计算的功率发生变化时，确定励磁绕组上产生第二方向的电动势，此时减少励磁供电电路输出的电参数。

应理解，为了快速对励磁绕组进行保护，本申请实施例中，检测励磁供电电路的输出电流并将检测的输出电流与预设电流阈值区间进行比较，在确定输出电流小于预设电流阈值区间的最小值时，直接确定励磁绕组上产生第一方向的电动势，此时减少励磁供电电路输出的电参数。

具体实现时，控制模块可以与励磁供电电路内部的构成H桥整流电路的开关管的控制端连接，控制模块控制该开关管的驱动信号的发送时刻以及驱动信号持续时长，来控制励磁供电电路输出的电参数数值。

具体地，由于无刷电机系统中多采用控制器或者励磁供电电路控制器以控制励磁供电电路的驱动信号，来调整励磁供电电路的工作状态。实际应用中，控制装置302可以固定在励磁供电电路控制器或者控制器中，在另一种可实现方式中，控制器上设置有固定接口，控制通过控制器上设置的固定接口与控制器上连接，以实现向控制器发出报警。

结合以上描述，示例地，本申请实施例提供的一种保护装置可以如图9所示。

在灭磁装置中，包括：TVS1、R1、D1、K1、C1、K2、D2、C2和R2。其中，TVS1与励磁绕组并联连接，R1的一端分别与TVS1的第一端和整流电路的第一端连接，R1的一端分别与K1的第一端、C1的第一端、K2的第一端以及D1的阴极连接，C1的第二端分别与D1的阳极、K1的控制端、K2的控制端以及整流电路的第二端连接，K1的第二端TVS1的第二端连接，K2的第二端与D2的阳极连接，D2的阴极与C2的第一端连接，R2的第一端与C2的第二端连接，R2的第二端与TVS1的第二端连接。

在控制装置中，包括TV1、TA1、TA2和控制器Z。其中，TV1的第一端与励磁供电电路的输入端的两个端点连接，TV1的另一端与Z连接，TA1的输入端与励磁供电电路的输入端连接，TA1的输出端与Z连接。TA2的输入端与励磁供电电路的输出端连接，TA2的输出端与Z连接。其中，控制装置设置在励磁供电电路控制器中。

具体地，无刷电机系统正常运行时，励磁绕组上的电流方向如图中箭头方向所示，励磁绕组上的原电位方向为上端为正，下端为负。TV1、TA1和TA2检测励磁供电电路上的电参数，并发送给Z。

当无刷电机系统发生故障时，造成无刷电机连接的负载发生变化，励磁绕组为了避免电参数的突变会在励磁绕组两端产生一个电动势，该电动势造成励磁绕组和励磁供电电路上的电参数数值发生变化。当励磁绕组上产生的电动势的方向为上端为正，下端为负时，该电动势的方向与励磁绕组原有电位的方向相同，则励磁绕组两端的电压升高，由于该电动势相当于电源在励磁绕组上输出电流，该电动势输出的电流方向与励磁绕组上的原电流方向相反，所以流过励磁绕组的电流减小，相当于增加了无刷电机系统的输出阻抗，此时励磁供电电路输出的功率变小，由于励磁绕组两端的电压一直处于高压状态，当电压值升高至TVS1的启动电压时，TVS1吸收该电动势的电能并将励磁绕组两端的电压进行钳位，以保证整流电路以及励磁供电电路不会因承受过电压而损坏，同时在TVS1为消耗完该电动势之前，C1一直处于充电状态，K1接收到满足条件的驱动电压，因此K1一直处于闭合状态。同时由于励磁供电电路输出的功率数值固定，当励磁绕组产生的电动势造成励磁绕组的电流减少，电压增大时，会使励磁供电电路的输出电压上升输出电流减小，当TA2检测到供电电源输出的电流数值减少并超出预设阈值区间时，确定无刷电机系统发生故障，控制电路减少励磁供电电路输出的电压数值和电流数值。

其中，钳位电压的数值可以根据无刷电机的型号以及与无刷电机系统连接的负载进行确定，本申请实施例这里不做详细介绍。

若产生的电动势的方向与励磁绕组上原有电位方向相反，则会造成流过励磁绕组的电流升高，励磁绕组两端的电压减少至零甚至造成励磁绕组上的原有的电位方向改变，励磁绕组两端电压的减少会将整流电路上的两个串联的二极管导通，从而将整流电路短路，C1通过R1放电，当C1两端的电压导致K1未完全断开时，K1两端电阻增大，C2和R2所在支路导通，当C2流过的电流大于K2的启动电流时，K2导通将C1存储的电能快速释放，加快K1的断开时间，避免K1长时间留在线性电阻区域成巨大损耗甚至因此损毁，若此时励磁绕组上电动势未消耗完毕，则重复上述过程，直至励磁绕组上产生的电动势的能量完全消耗掉。同理，当TA2检测到励磁供电电路输出的电流数值上升并超出预设阈值区间时，确定无刷电机系统发生故障，控制电路减少励磁供电电路输出的电压数值和电流数值。

结合以上描述，示例地，本申请实施例提供的另一种保护装置可以如图10所示。

在灭磁装置中，包括：TVS1、R1、D1、K1、C1、K2、D2、C2和R2。其中，TVS1与励磁绕组并联连接，R1的一端分别与TVS1的第一端和整流电路的第一端连接，R1的一端分别与K1的第一端、C1的第一端、K2的第一端以及D1的阴极连接，C1的第二端分别与D1的阳极、K1的控制端、K2的控制端以及整流电路的第二端连接，K1的第二端TVS1的第二端连接，K2的第二端与D2的阳极连接，D2的阴极与C2的第一端连接，R2的第一端与C2的第二端连接，R2的第二端与TVS3的第一端连接。

TVS3的第二端与TVS1的第二端连接。

TVS2的两端分别与整流电路的两个输出端口连接。

在控制装置中，包括TV1、TA1、TA2和控制器Z。其中，TV1的第一端与励磁供电电路的输入端的两个端点连接，TV1的另一端与Z连接，TA1的输入端与励磁供电电路的输入端连接，TA1的输出端与Z连接。TA2的输入端与励磁供电电路的输出端连接，TA2的输出端与Z连接。其中，控制装置设置在励磁供电电路控制器中。

具体实现时，TVS2两端与整流电路输出端的两个端口连接，用于吸收整流电路输出的高压信号，并对整流电路输出的电压进行钳位。TVS3用于控制K1的断开时间以及防止整流电路输出低电压时K1的误断开。

其中，灭磁装置和控制装置的工作过程与本申请前述装置中的灭磁装置和控制装置的工作过程相同，本申请这里不做重复介绍。

当然，以上对保护装置结构的描述仅为示例，实际应用时，根据保护装置和灭磁装置器件的不同，本申请提供的保护装置还可以包括其它电路结构。基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种无刷电机系统，参见图11所示，该无刷电机系统1100可以包括：电枢绕组1101、整流电路1102、励磁绕组1103、励磁供电电路1104、变压器1105、控制器1106和前述保护装置300。

其中，励磁供电电路1104的输入端用于与直流电源连接，励磁供电电路1104的输出端与变压器1105的原边连接2；

变压器1105的副边与整流电路1102的输入端连接；

保护装置300分别与整流电路1102、励磁绕组1103、励磁供电电路1104和控制器1106连；

电枢绕组1101与控制器1106连接；

控制器1106用于与供电电源连接。

可选地，该变压器1105可以为旋转变压器，该变压器1105的副边与励磁绕组、整流电路放置在该无刷电机系统1100中的可旋转区域。

其中，励磁供电电路1104接收直流电源输出的电压，并将该电压转换为励磁绕组1103的供电的交流电压后通过变压器1105输出给整流电路1102，整流电路1102将接收的交流电压转换为直流电压后直接输出给励磁绕组1103供电，控制器1106用于控制电枢绕组1101的供电，电枢绕组1101产生旋转磁场带动励磁绕组1103转动，从而实现无刷电机系统1100运行。

可选地，供电电源可以是直流电源也可以是交流电源，当该供电电源为直流电源时，控制器将直流电源输出的直流电压转换为交流电源后输出给电枢绕组；当该供电电源为交流电源时，控制器1106将交流电源输出的电压直接提供给电枢绕组。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

此外，本申请实施例中提供的系统结构和业务场景主要是为了解释本申请的技术方案的一些可能的实施方式，不应被解读为对本申请的技术方案的唯一性限定。本领域普通技术人员可以知晓，随着系统的演进，以及更新的业务场景的出现，本申请提供的技术方案对于相同或类似的技术问题仍然可以适用。

Claims (13)

1.一种保护装置，应用于无刷电机系统中，所述无刷电机系统包括所述保护装置、电枢绕组、控制器、整流电路、与所述整流电路连接的励磁绕组、励磁供电电路以及连接在所述整流电路和所述励磁供电电路之间的变压器，其特征在于，所述保护装置包括：灭磁装置和控制装置；

所述灭磁装置用于跨接在所述整流电路和所述励磁绕组之间，并用于在所述无刷电机系统故障时，消耗所述励磁绕组上产生的多余电能；

所述控制装置用于分别与所述励磁供电电路和所述控制器连接，并用于检测所述励磁供电电路输入端和输出端的电参数，以及在确定所述电参数超出预设阈值区间时，向所述控制器报警以及调整所述励磁供电电路输出的电参数。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制装置包括：第一采样电路、第二采样电路和控制模块；

所述第一采样电路的电流输入端用于与所述励磁供电电路的输入端连接并采样所述励磁供电电路的输入端电流，所述第一采样电路的电压输入端的两个端点用于分别与所述励磁供电电路的输入端的两个端点连接并采样所述励磁供电电路输入端两端的电压；

所述第二采样电路的输入端用于与所述励磁供电电路的输出端连接并采样所述励磁供电电路输出端的电流；

所述控制模块分别与所述第一采样电路的输出端和所述第二采样电路的输出端连接，所述控制模块用于分别与所述控制器和所述励磁供电电路的控制端连接，以及用于接收所述第一采样电路和所述第二采样电路输出电流和电压，并在确定接收的电流和电压超出所述预设阈值时，向所述控制器报警以及调整所述励磁供电电路输出的电参数。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述灭磁装置包括：吸收电路和开关电路；

所述吸收电路用于与所述励磁绕组连接，并用于在所述无刷电机系统故障时，消耗所述励磁绕组上产生的多余电能；

所述开关电路用于分别与所述整流电路和所述吸收电路连接，并用于在所述励磁绕组上产生第一方向的多余电能时，断开所述整流电路和所述励磁绕组的连接，以及在所述第一方向的多余电能消耗完毕时，恢复所述整流电路与所述励磁绕组的连接。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述吸收电路包括：第一瞬态抑制二极管。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述开关电路包括：第一开关、第一电阻和第一电容；

所述第一电阻的第一端用于分别与所述整流电路的第一输出端和所述吸收电路的第一端连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第一电容的第一端和所述第一开关的第一端连接；

所述第一电容的第二端用于与所述整流电路的第二输出端；

所述第一开关的第二端用于与所述吸收电路的第二端连接，所述第一开关的控制端与所述第一电容的第二端连接。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述开关电路还包括：稳压二极管；

所述稳压二极管的阴极与所述第一电容的第一端连接，所述稳压二极管的第二端与所述第一电容的第二端连接。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述开关电路还包括：开关辅助电路，所述开关辅助电路与所述开关电路连接，所述开关辅助电路用于控制所述开关电路的开启时刻和关断时刻。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述开关辅助电路包括：第二开关、第二电阻、第一二极管和第二电容；

所述第二开关的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二开关的第二端与所述第一电容的第二端连接；

所述第一二极管的阳极与所述第二开关的第二端连接，所述第一二极管的阴极分别与所述第二电容的第一端和所述第二开关的控制端连接；

所述第二电容第二端与所述第二电阻的第一端连接；

所述第二电阻的第二端与所述吸收电路的第二端连接。

9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一采样电路包括：第一电流传感器和第一电压传感器；

所述第一电流传感器的输入端用于与所述励磁供电电路的输入端连接，所述第一电流传感器的输出端与所述控制模块连接；

所述第一电压传感器的输入端的两个端点用于与所述励磁供电电路的输入端两端连接，所述第一电压传感器的输出端与所述控制模块连接。

10.如权利要求2或9所述的装置，其特征在于，所述第二采样电路包括：第二电流传感器；

所述第二电流传感器的输入端用于与所述励磁供电电路的输出端连接，所述第二电流传感器的输出端与控制模块连接。

11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，在所述整流电路包括整流桥时，所述灭磁装置还包括：第二瞬态抑制二极管；

所述第二瞬态抑制二极管的第一端用于与所述整流电路的第一输出端连接，第二瞬态抑制二极管的第二端用于与整流电路的第二输出端连接。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述开关辅助电路还包括：第三瞬态抑制二极管；

所述第三瞬态抑制二极管的第一端与第二电阻的第二端连接，所述第三瞬态抑制二极管的第二端与所述吸收电路的第二端连接。

13.一种无刷电机系统，其特征在于，包括：电枢绕组、整流电路、励磁绕组、励磁供电电路、变压器、控制器和如权利要求1-12中任一项所述的保护装置；

所述励磁供电电路的输入端用于与直流电源连接，所述励磁供电电路的输出端与所述变压器的原边连接；

所述变压器的副边与整流电路的输入端连接；

所述保护装置分别与所述整流电路、所述励磁绕组、所述励磁供电电路和所述控制器连接；

所述电枢绕组与所述控制器连接；

所述控制器用于与供电电源连接。

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