汽车电动机的电路保护

电动机在汽车中的应用非常广泛。

按照功率，有应用于车锁、后视镜等的小型电动机:

也有应用于车窗、摇椅等的中型电动机，

以及冷凝、散热风扇中的大型电动机。

在汽车复杂的电磁环境下，电动机会因电压不稳、运行中堵转等多种原因而出现堵转、过载，进而烧坏。所以必须充分设计保护电路以确保电动机的可靠性和稳定性。

阅读TE电路保护事业部工程师郭涛的文章，了解汽车电动机中的保护应用——

PolySwitch TM自复式聚合物正温度系数(PPTC)器件可以用于车载电动机设计，快速有效地避免电动机由于堵转和过载导致的过温损坏。下图显示是如何将PolySwtch PPTC器件安装于电动机中以防止过电流或过热事件而引发的损坏。当将器件密封于电动机壳内，其会对电动机内电流作出反应，并在故障条件下防止热损毁情况。

PolySwtch PPTC与双金属断路器的保护比较
中小型电动机的保护方法多种多样，市场上曾经使用双金属断路器做保护。双金属断路器保护器件有I型、II型和III型等种类。I型双金属断路器在电动机保护应用中最为常用。II型双金属断路器由于体积和成本因素，极少应用在电动机保护中。而III型双金属断路器由于需要手工复位，也无法应用在电动机内部。I型双金属断路器虽然有着较好的动作温度的范围，但是由于其动作后内部没有发热闭锁机构，在故障尚未排除的情况下，动作后的双金属断路器会由于自身温度的降低而自行恢复，从而在整个故障过程中造成反复多次保护。而对于电机，反复多次保护引起的工作电流的通、断循环，仍然有可能电机线圈温度升高到不安全的温度范围，或者至少维持在一个较高的温度水平。下图是I型双金属断路器在电动机堵转保护中的各项测试数据图。从图中可以看出，在整个保护过程中，I型双金属断路器由于自身反复开关，从而产生许多脉冲电流，使得电机线圈温度相对较高，也就是说，电动机设计者必须不得不选用高成本的温度等级较高的铜线。这个现象在低温环境下，例如零下—40℃时，更为明显。另外，从系统可靠性角度来看，双金属断路器在达到了动作寿命次数之后的失效模式有可能是触点短接的通路模式，是一种非安全性失效模式。双金属片此类失效情况下，会造成堵转中的电动机损坏和烧毁。

PolySwitch PPTC作为一种高性价比的保护器件，近来被广泛取代双金属片断路器应用与中小型汽车电动机中。PolySwitch成本相对双金属片断路器较低，而且在故障期间，PolySwitch器件会一直处于“跳闸”状态，直至故障被排除之后才会恢复到正常工作状态。在保护期间，PolySwitch器件将电流降低并维持在一个非常低的安全电流下，有效地确保了电机线圈温度处在安全的温度范围内。图3是PolySwitch在电动机堵转保护中的各项测试数据图。从图3可以看出，在整个保护过程中，PolySwitch一直维持在高阻态，仅有微小的漏电流存在，使得电机线圈温度处于一个较低的水平，也就是说，电动机设计者可以选用低成本的温度等级较低的铜线。另外，PolySwitch 即使在达到了动作寿命后期，其最终的失效模式通常也是高阻状态。这种安全失效模式能有效地提高系统可靠性和安全性。

此外，PolySwitch PPTC是由于内部材料自身物理特性的转变而实现高阻和低阻间的变化，不同于双金属断路器的机械开关。并且其材料可塑性极好。所以相比较，PolySwitch PPTC还具有以下优点：
●各类机械振动的影响可以忽略；
●没有机械接触点，所以不因触点受油渍污染而无法工作；
●不会存在机械开关而产生电弧；
●可塑性好，具有极佳的成形系数，可依客户需求制成各种形状；
●结构简单、成本相对较低
PolySwitch PPTC在间歇性电动机保护中的设计
大多数中小型汽车电动机属于间歇运行电动机(如用于车窗升降和座椅调节)，其特征是通常只运行一小段时间。一般来说，这些产品的运行时间若超出了设定的最大限制，就会引起堵转、过热及完全故障。在通电时出现这类故障有两个原因，一是由于控制开关触点故障，另一个是客户误操作。

要防止过热，所使用的电路保护器件必须快速“动作”，但不能快于设计速度，从而避免为用户带来麻烦。也就是说，保护器件要在保证电动机正常工作的同时防止误动作。而误动作通常是由与电动设备某些电气组件相关的大脉冲电流引起的，例如，车窗电动机启动和结束瞬间产生的数倍于正常工作的电流脉冲。PolySwitch PPTC器件的主要优点就是对短时间的电流脉冲“免疫”，这是由于其动作是基于一定程度的热积累。因此可为其指定一个大大低于电动机正常运行电流的动作电流，这样在避免误动作的同时，从而保证快速有效地防止电动机堵转过热。

但设计一套保护方案，使其既能有效保护电机，又不会误动作，这对设计者来说是一项挑战，通常需要器件厂商提供专业支持。TE电路保护事业部有专业的应用设计团队和电动机实验设备，可以帮助客户进行此类选型，节省设计时间。

PolySwitch PPTC对保护车窗类电动机的设计通常包括以下几点：
●低温堵转动作时间
●常温堵转动作时间
●高温堵转动作时间
●电动机绕线和电刷的最高温度限制
●恢复时间
●高温下工作电流循环次数
●耐久测试
PolySwitch PPTC在持续运行电动机保护中的设计
持续运行的电动机电机(如用于室内风机的电动机)工作时需要较长时间运行。由于通常情况下，电动机驱动风机，一些气流就会穿过电动机，使运行压力增加，增加了运行电流。结果，风机电动机的堵转电流通常只有运行电流的两倍左右。这就更加难于选择合适的热保护器件。PolySwitch PPTC器件在此类电动机保护方案中也颇具优势。

在风机被驱动的应用中，PolySwitch器件和电动机放置于气流回路中都大有裨益。由于气流会防止PolySwitch器件达到动作温度，因此这种方法会大大增加其保持电流。然而如果由于某种原因电动机止动，其流动制冷效果就会消失。加上电动机电流过大，快速升温，这就会较快地引发PolySwitch器件动作，进而限制流经电动机的电流。

与双金属片不同，在正常工作时，如果因为环境原因引起电动机温度升高，PolySwitch器件还可通过略微增加自身电阻来阻止可能引起的过快温升故障。

由于此类设计中，PolySwitch的择型需要与实际应用环境紧密配合，例如电动机风速、散热空间等。需要通过应用实验来选型，这对设计者来说是颇为烦琐。对此，TE电路保护事业部仍然可以帮助客户进行应用实验选型，节省设计者的精力和时间。

电动机保护类PolySwitch PPTC产品系列
PolySwitch PPC在电动机保护中主要有三大类：
●端子系列TD (Terminal Device)
●引脚系列R-line (Radial line)　　
●芯片系列Chip

PolySwitch TD系列主要用于中型电动机保护。其额定工作电流相对较高，较窄的成品电阻范围使其保护较为精准，端子形状可依客户需要定制，采用常规电阻点焊方式与电动机内部线圈连接。由于采用铜端子，其成本高于另外两个系列。

PolySwitch R-line系列可用于中、小型电动机保护。其成品种类多，工作电流覆盖面广，引线端子采用锡焊、也可使用点焊方式与电动机内部线圈连接。由于形成标准系列，成本低于TD系列。但在较大功率环境下，其体积会比较大。

PolySwitch Chip系列主要用于小型电动机保护。其成品形状简单，直接插入电动机内部连接座内与线圈相连，成本最低。但由于接触电阻、体积等原因，其工作电流较低。