电磁感应线圈的短路检测

技术领域

本发明涉及一种设备，该设备包括用于检测电磁感应线圈的短路的短路检测装置。本发明基本上可以用于任何应用，比如马达(旋转和线性)、变压器或电感器。

背景技术

US 3863109描述了一种借助于附加感测线圈或霍尔装置来检测短路的方法。通过将次级线圈或霍尔装置用于短路检测，由分开的低压侧检测高压侧的短路。一个缺点是初级线圈需要处于活动状态/携带电流，以便用次级线圈或霍尔装置检测短路。

JP 2013061310 A和JP 2011252752 A描述了一种检测变压器中的短路的方法，该方法通过在变压器的初级绕组开路时测量在位于变压器的第一谐振频率附近的单一频率下次级绕组的传递函数的增益来检测短路。这种途径的缺点是需要了解变压器的谐振频率。另外的缺点是在变压器的谐振频率附近传递函数严重受到绕组之间的寄生电容的影响。

发明内容

在一些关键的应用中，期望能够检测电磁感应线圈的短路而无需直接驱动该线圈。因此，本发明的目的是提供一种设备，该设备包括用于检测该设备的电磁感应线圈的短路的检测装置，这允许该设备更安全的操作。

本发明的另外的目的是提供一种复杂度降低和/或硬件更少的用于检测电磁感应线圈的短路的设备。本发明的目的还在于提供这样的设备，该设备允许以更高的可靠性检测电磁感应线圈的短路、并且可能允许辨别不同类型的短路。

因此，根据本发明，提供了一种如所附权利要求中阐述的设备。该设备包括至少一个电磁感应线圈、以及用于检测该至少一个电磁感应线圈中的短路的检测装置。该检测装置包括独立于该至少一个电磁感应线圈的检测线圈、以及耦合到该检测线圈的检测电路。该检测线圈被布置为使得该检测线圈以电感方式耦合到该至少一个电磁感应线圈。有利地，该检测线圈被相对于该至少一个电磁感应线圈布置成使得该至少一个电磁感应线圈中的短路造成该检测线圈的电感的变化。该检测电路被配置为驱动该检测线圈，以便在该至少一个电磁感应线圈中感应出电流。

根据本发明，检测的原理是基于由于该至少一个电磁感应线圈中的短路而使该检测线圈的电感发生变化。取决于形成短路的匝数，电感的变化将不同，从而有利地提供了通过检测装置区分不同类型短路的可能性。

利用上述检测电路，在该至少一个电磁感应线圈被禁用且不操作的情况下检测短路变为可能。这增加了安全性。因此，由于电磁感应线圈和检测线圈二者都具有独立的电路，因此不需要必须驱动该至少一个电磁感应线圈以能够检测其中的短路。有利地，该至少一个电磁感应线圈与电源断开，并且有利地在检测期间由该检测电路形成开路。该检测电路有利地被配置为检测从该至少一个电磁感应线圈的开路配置到该至少一个电磁感应线圈的一个或多个绕组的短路的变化。

具有分开的电路且该电路包括用于检测该至少一个电磁感应线圈中的短路的检测线圈的第二个优点是，在高电压与低电压之间分开的能力。检测电路可以用低压源供电，并且有利地不需要跨过高压屏障以便检测该至少一个(高压)电磁感应线圈中的短路，这进一步增加了安全性并降低了成本，因为该检测电路可以由低压部件制成。该至少一个电磁感应线圈和检测线圈可以被视为隔离变压器，并且检测线圈和检测电路可以完全位于低压侧。

有利地，该至少一个电磁感应线圈与检测线圈之间的绕组比被选择为使得在该至少一个电磁感应线圈的操作期间在该检测线圈中感应出的电压为60V或更小。通过这样做，检测装置保持在低压处，没有危害或伤害的风险。

有利地，该检测电路被配置为感测表示磁通的信号，该磁通是由于在该至少一个电磁感应线圈中感应出电流而在该检测线圈中感应出的。检测电路可以以不同的方式实现，并且有利地能够检测该至少一个电磁感应线圈上的完全和/或部分短路。

根据本发明，该检测电路被配置为在第一电信号施加到该检测线圈之后确定在该检测线圈中感应出的第二电信号的频率。第一电信号的施加在该电磁感应线圈中感应出电流。由于提供了物理电容器和/或存在寄生电容，电磁感应线圈、或检测线圈、或两者都可以形成为谐振储能电路(resonant tank circuits)。这在检测线圈中产生振荡电流，该振荡电流的频率可以容易且可靠地被检测到。有利地，通过检测第二电信号的过零点来确定该频率。与现有技术中基于振幅的测量相比，这样的频率检测更精确，并且需要的硬件更少。举例而言，基于振幅的测量将需要使用A/D转换器，而在基于频率的测量中可以省去A/D转换器的使用。

在所附权利要求中阐述了另外的有利实施例。

本文还描述了一种借助于根据本发明的设备检测电磁感应线圈中的短路的方法。该方法包括操作如本文所述的设备。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中，相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：

图1表示了包括电磁感应线圈和检测电路的设备的电气方案；

图2表示了曲线图，示出了在各种情况下(有短路或无短路)图1中节点X处的电压；

图3表示了根据本发明的设备的电气方案，该设备包括耦合在谐振电路中的电磁感应线圈和检测电路；

图4表示了曲线图，示出了在各种情况下(有短路或无短路)图3中节点Y处的电压；

图5A和图5B表示了根据本发明的检测线圈和电磁感应线圈的可能布局；

图6表示了线性马达，该线性马达包括多个定子线圈和用于这些定子线圈中的每一个定子线圈的检测装置。

具体实施方式

在图1中示出了一种用于检测短路的设备的示例性实施方式。设备10包括应用部分11，该应用部分包括电磁感应线圈，该电磁感应线圈被描绘为串联连接的多个线圈绕组Lp1-Lpx。应用部分11可以包括针对应用所需的一个或多个电磁感应线圈，并且这些线圈将在后文被称为(多个)应用线圈。例如，Lp1-Lpx可以是电动马达、变压器或利用电磁感应线圈的任何其他装置的定子绕组。应用部分11可以耦合在本领域已知的用于特定目的专用操作电路中。举例而言，应用部分可以连接到(高压)电源。应用部分11不需要耦合在用于短路检测的专用电路中，因为这是由检测装置12来处理的。

检测装置12包括检测线圈，该检测线圈具有耦合到检测电路121的串联连接的一个或多个绕组Ls1-Lsx。检测电路121被配置为驱动检测线圈Ls1-Lsx，使得电流流过检测线圈Ls1-Lsx。通过检测线圈Ls1-Lsx的电流在应用线圈Lp1-Lpx中感应出磁通，该磁通进而导致电流在应用线圈Lp1-Lpx中流动。为此，检测线圈Ls1-Lsx被有利地布置为使其以磁(电感)方式耦合到(多个)应用线圈Lp1-Lpx，以便流过(多个)应用线圈的电流在检测线圈中感应出可以测量的磁通。

将方便地注意到，检测线圈Ls1-Lsx的匝数或绕组数可以根据需要选择，例如，以获得该检测电路的所需灵敏度。有利地，检测线圈Ls1-Lsx被布置为使得在使用(操作)期间该检测电路中的感应电压将基本上低于施加到应用线圈的电压。这可以通过相对于应用线圈适当选择检测线圈被放置的位置，或者通过与应用线圈的绕组数相关地适当选择检测线圈的绕组数来获得。

检测电路121包括被称为驱动电路的第一电路122和被称为测量电路的第二电路123。驱动电路122包括与检测线圈Ls1-Lsx和电源13串联耦合的开关S1。测量电路123耦合到驱动电路122，以便测量驱动电路122中的电信号(比如电压)。

通过闭合开关S1，特别是当应用线圈不处于操作状态时(例如，其是开路时)，在检测线圈Ls1-Lsx上施加电压阶跃。这使得电流流过检测线圈Ls1-Lsx，继而在应用线圈Lp1-Lpx中感应出磁通和相关电流。当开关S1断开时，应用线圈Lp1-Lpx中先前感应出的电流将在检测线圈Ls1-Lsx中感应出磁通，该磁通是通过测量电路123来测量的。测量电路123可以被配置为测量复阻抗，例如通过在开关S1断开的情况下评估通过检测线圈Ls1-Lsx的电流。

可以考虑任何适当的电压阶跃。替代性地，可以将给定持续时间的脉冲施加到开关S1，并且可以通过测量节点x处的电压来评估应用线圈Lp1-Lpx和检测线圈Ls1-Lsx中存储的能量。应用线圈Lp1-Lpx的完全或部分短路将导致较少的存储能量，并且因此降低节点X处的电压，如图2的曲线图中可见的。在图2中，附图标记34是指开关S1闭合；附图标记31是指在应用线圈中不存在短路的情况下节点X处的示例性电压信号；附图标记32是指在应用线圈中存在部分短路的情况下的示例性电压信号；附图标记33是指在存在应用线圈的完全短路的情况下的示例性电压信号。

根据本发明，图1的设备10被如图3所示进一步改进。参考图3，设备20与设备10的不同之处在于，电容器Cr被添加在应用线圈Lp1-Lpx的两端。替代性地或附加地，可以在检测线圈Ls1-Lsx两端添加电容器。这导致形成谐振电路，该谐振电路有利地将图1的阻抗测量问题转化为频率测量问题，这提高了灵敏度并且更易于以数字逻辑实现。缩放/电平移位网络可以被用作测量电路223，该测量电路将节点y处的电压转换为以下电平，在该电平处，过零点的定时可以由数字电路(例如计数器电路224)容易地检测到。图4的曲线图示出了在与图2中相同的情况下(施加的电压阶跃相同)节点Y处的电压信号。在图4中，附图标记31是指在应用线圈中不存在短路的情况下节点Y处的示例性电压信号；附图标记32是指在应用线圈中存在部分短路的情况下的示例性电压信号；附图标记33是指在存在应用线圈的完全短路的情况下的示例性电压信号。

在一些情况下，应用线圈的电路可以包括大量的寄生电容，从而允许利用这些寄生电容来形成谐振电路。在这些情况下，寄生电容可以代替电容器Cr而起作用，并且可以从图3的电路省略电容器Cr。

在检测装置12、22的操作期间，应用线圈Lp1-Lpx有利地不被驱动，例如它们有利地与电源断开。检测装置12、22还可以包括计算和/或控制单元，该计算和/或控制单元被配置为将(阻抗或频率的)测量值与表示应用线圈Lp1-Lpx的无短路条件的参考值进行比较。该参考值可以通过校准获得，或者可以基于先前的测量。控制单元还可以被配置为当检测到该至少一个电磁感应线圈的故障状态时发射信号。该信号可以是可操作的(例如，通过适当的继电器等)，以使应用线圈不起作用。

可以有利地选择具有以紧密公差的附加电容器Cr，而不是仅依赖于寄生电容。使用这样的电路可以显著提高测量的再现性并减小电路间的可变性。这为使用针对无短路条件的预先计算出的限值提供了可能性。

电源13可以是低压电源，其在60V DC或更低的安全电压下(例如，在12V DC下)工作。当开关S1断开并且应用线圈Lp1-Lpx正在操作时，检测电路121应当能够承受在检测线圈Ls1-Lsx中感应出的电压。这当然将取决于特定应用。一种可能性是将检测电路121中的阻抗增加到适当的值。另一种可能性是与应用线圈Lp1-Lpx的匝数相关地选择检测线圈Ls1-Lsx的匝数，以便减轻在检测线圈Ls1-Lsx中感应出的电压。这也可以避免干扰应用线圈Lp1-Lpx的操作。

将方便地注意到，在开关S1闭合期间，应用线圈Lp1-Lpx耦合在其中的电路可以断开，例如检测装置12、22能够在应用线圈开路(禁用)的状况与应用线圈Lp1-Lpx的一个或多个绕组或匝之间存在短路的故障状况之间进行辨别。

在应用部分11的正常操作期间，开关S1有利地保持断开，并且检测电路121有利地不操作。通过适当地选择检测电路的阻抗值，在应用线圈Lp1-Lpx的操作期间，通过检测线圈Ls1-Lsx的电流可以最小化。

参考图5A和图5B，呈现了应用线圈1和检测线圈2的可能布置。应用线圈1和检测线圈2中的任一者或两者都可以由绕制线圈形成，比如平面绕制线圈，即，包括基本上共面的绕组(所有绕组被布置在基本同一平面中)。应用线圈1和检测线圈2可以被布置成使它们的绕组平面彼此平行。

在图5B中，检测线圈2被置于两个应用线圈1之间。检测线圈2可以被布置为检测两个应用线圈中的短路。

根据本发明的设备可以指电动马达(比如旋转马达)，其中应用线圈是指例如定子线圈。替代性地，电动马达可以是线性马达，比如在磁性升降系统中用作致动器的线性马达。线性马达可以包括定子线圈和永磁体移动单元。在后一种情况下，应用线圈可以是指定子线圈，并且检测装置被配置为检测该定子线圈中的短路。

参考图6，线性马达40可以包括多个定子线圈41，这些定子线圈可以并置，以便驱动设置有永磁体43的移动单元42。每个定子线圈41可以是指(多个)应用线圈Lp1-Lpx。可以为每个定子线圈分别设置检测装置44，该检测装置可以是如本文所述的任何检测装置。替代性地，一个检测装置可以被布置为例如经由图5B的布置来检测两个或更多个相邻定子线圈中的短路。

短路尤其可能发生在绕制线圈(例如，非印刷线圈)中，比如通过绕制导电材料(比如导电条带或导线)制造的绕制线圈。这些绕制线圈可以具有各种形式(例如螺旋的、平面的)。因此，故障模式与这种绕制线圈(比如平面绕制线圈)尤其相关，该绕制线圈可以用作例如用于驱动磁性升降的线性马达的定子线圈。此外，在要求高电压的应用中使用的这种线圈典型地是经封装的，这使得一些其他短路检测方法(例如，使用线圈的端口)不适用。

检测装置可以被配置为以规则的间隔启动检测循环，以便测试应用线圈的完整性。举例而言，在上文提及的磁性升降系统中，升降路径的一些分支可能不经常使用，并且在不使用路径时定期检测定子线圈中的短路是有用的。