開關磁阻發電機的製作方法
2023-06-19 07:49:41
專利名稱：開關磁阻發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關磁阻(SR)發電機，更具體地，涉及用於提高在低和高速度下的生成性能的SR發電機。
背景技術：
通常，SR發電機作為能量轉換裝置被廣泛使用，使得其在預設轉子角度期間，通過電開關操作將電能從電壓源傳輸到具有一個或多個相位的繞組，並在剩餘轉子角度期間，從繞組獲得比在繞組中所接收的更多的電能。上述額外能量是指當旋轉地將扭矩施加到SR發電機時，施加到發電機轉子的機械能量。SR發電機具有配置為電流源形式的輸出信號，使得其可以發電。
雖然傳統的風力發電站廣泛使用感應發電機或同步發電機，當發電時，感應發電機必須保持預設速度，儘管它具有簡單的結構和低製造成本，使得其需要額外的變速箱並具有發電的風速限定範圍。同步發電機具有缺點在於其具有複雜的結構並且昂貴。同步發電機在低風速下輸出低輸出電壓，使得其不能夠用電來充電電池。
因此，儘管感應或同步發電機在具有低風速的地區被廣泛使用來發電，當發電時出現很多問題。本發明的應用考慮到SR發電機可以被改進，以適宜其間發展了能夠有效執行風能生成的發電機的過程中的應用領域。
發明內容
因此，考慮到上述問題而提出本發明，本發明的目標是提供在低和高速下具有提高的效率的SR發電機。
本發明的另一目標是提供具有簡化的結構和優異耐久性的SR發電機。
根據本發明的一個方面，通過提供包括遞升轉換器的SR發電機實現這些目標，該遞升轉換器用於控制能夠向相繞組提供激發電流的激發電容器的激發電壓。
因此，SR發電機可以控制激發電流，並可以向相繞組提供足夠的激發電流，由此提高效率。
根據本發明的另一方面，該遞升轉換器設置在能夠存儲所生成的能量的電池和激發電容器之間，升壓電池的電壓，並向激發電容器提供升壓的電壓。
因此，SR發電機不包括用於升壓功能的額外的能量供應單元，導致整體結構的簡化和製造成本的降低。
根據本發明的還一方面，當轉子旋轉速度小於預設速度時，操作該遞升轉換器。該遞升轉換器與轉子旋轉速度成反比例地提高激發電流。
因此，SR發電機在低速下提高獨特效率(unique efficiency)。
根據本發明的還一方面，當轉子旋轉速度大於預設速度時，操作遞升轉換器。優選地，遞升轉換器與轉子旋轉速度成比例地提高激發電流。
因此，SR發電機在高速下提高獨特效率。
根據本發明的還一方面，SR發電機提高在低速下相繞組的電感，並減小在高速下相繞組的電感。
因而，在低速下提高了電感和相角之間的變化率，而且在低速下還提高了輸出能量，由此提高生成效率。
根據本發明的還一方面，SR發電機具有單相結構。
因此，減少了SR發電機的必要開關數量，導致簡單的結構和製造成本的降低。
在結合附圖閱讀下面詳細說明之後，本發明的上述目標以及其他特性和優勢將變得更加清楚，其中圖1是說明根據本發明的優選實施例的SR發電機的電路圖；圖2是說明根據本發明，補償的激發電壓和速度之間關係的曲線圖；圖3是說明根據本發明，通過補償的激發電壓所獲得的生成能量與轉子旋轉速度之間關係的曲線圖；圖4是說明根據本發明的另一優選實施例的SR發電機的電路圖；圖5示出根據本發明，用在圖4所示的SR發電機中的單相定子的外觀，具體地示出SR發電機的示例性接線結構，包括由三個單元繞組構成的相繞組。
圖6是說明根據本發明，在SR發電機中與轉子的相角相關的相位電感、發電機電流、以及電機電流之間關係的曲線圖；圖7a示出根據本發明，在低速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中所形成的接線的外觀；圖7b示出根據本發明，在高速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中所形成的接線的外觀；圖8a示出根據本發明，在低速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中的電感和生成電流之間關係的曲線圖；以及圖8b示出根據本發明，在高速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中的電感和生成電流之間關係的曲線圖。
具體實施例方式
現在，參照附圖詳細說明本發明的優選實施例。在附圖中，用相同的參考標號指示相同或相似的元件，即使它們在不同的附圖中說明。在下面的說明中，將省略在此引用的已知功能和結構的詳細說明，當它使得本發明的主題事件反而不清楚時。
圖1是說明根據本發明的優選實施例的SR發電機的電路圖。參照圖1，SR發電機包括轉子10、定子30，在其上纏繞相繞組300、驅動開關100，用於控制在相繞組300中流過的電流信號、以及功率控制器500，用於控制驅動開關100的開關操作。
SR發電機必須首先接收激發電流。為此目的，獨立的生成系統通過驅動並聯到SR發電機的小型的同步電機，生成必要的電源供應信號。在圖1中，電流源910是用於生成初始激發電流的電機，例如，BLDC電機。從電機生成的激發電流在激發電容器930中充電。一旦激發電容器930被充電，將在激發電容器930中所充電的電壓通過驅動開關100在轉子旋轉角度的預設範圍內施加到相繞組300，以及將在相繞組300中感應的多餘的電能在另一轉子旋轉角度的預設範圍內充電到電池955。功率控制器500根據由速度檢測器530所檢測的轉子旋轉角度接通或切斷驅動開關100，並控制上述操作。
相繞組300從激發電容器930接收電能，該激發電容器930由於驅動開關100的電開關操作，在預設轉子角度範圍內用做電壓源，並在其他轉子角度範圍內向電池955提供比所接收的更多的能量。用於控制驅動開關100的電開關操作的功率控制500生成脈衝寬度調製信號，能夠根據由速度檢測器530檢測的轉子位置來控制上述開關操作。可以用不同形式實現功率控制器500，並且多種功率控制器對本領域技術人員來說是公知的。如本領域所公知的，可以用不同形式實現速度檢測器530，例如，使用霍爾傳感器(hall sensor)的速度檢測器，以及另一種使用電流檢測方案的速度檢測器530。例如，速度檢測器530檢測位移，並區分所檢測的位移。否則，速度檢測器530計數在預設時間內從編碼器生成的脈衝序列的數目，使得其可以檢測SR發電機的速度。
將電池955的輸出信號施加到負載600。可選擇地，可以通過遞升DC-DC轉換器將電池955的輸出信號施加到負載600。二極體951和953防止在電池中充電的電能反感應(counter-induce)到相繞組。
根據本發明的優選實施例，用在定子中的相繞組300具有單相結構。單相SR發電機具有少數的用於能量轉換的開關，使得可以用低廉的價格實現它。然而，應注意，本發明不限制於上述實例，可以以不同的形式改進。
在如圖1所示的優選實施例中，SR發電機包括遞升轉換器，用於控制能夠向相繞組提供激發電流的激發電容器930的激發電壓。根據本發明的第二優選實施例，遞升轉換器位於用於在其內存儲所生成的電能的電池955和激發電容器930之間。遞升轉換器升壓電池955的電能，並向激發電容器930提供升壓的電能。根據本發明的第一優選實施例，用升壓轉換器實現遞升轉換器。換句話說，本發明為描述的方便和對本發明更好的理解，示例性地示出最簡單的升壓轉換器電路。升壓轉換電路包括升壓電感器810，用於從電池955接收電流信號；開關850，用於接通或切斷電感器電流的提供；以及二極體830，用於通過接通或切斷開關850向激發電容器提供電流信號，並防止出現反向電流。對本領域技術人員來說，上述升壓轉換器的操作是公知的，因而為了說明的方便，在此省略它們的詳細說明。
在如圖1所示的優選實施例中，SR發電機包括速度檢測器530，用於檢測轉子的旋轉速度；以及激發控制器800，用於當由速度檢測器530檢測的轉子旋轉速度小於預設速度時，操作升壓轉換器。在這種情況下，激發控制器800優選地控制升壓轉換器以允許激發電流與轉子旋轉速度成反比例地增加。
根據本發明的第二優選實施例，當由速度檢測器530檢測的轉子旋轉速度等於或大於預設速度時，激發控制器800操作升壓轉換器。在這種情況下，激發控制器800控制升壓轉換器以允許激發電流與轉子旋轉速度成比例地增加。
將使用下面的等式詳細說明升壓轉換器的上述操作的原理。
可以用下面的等式1表示用於SR發電機中的電壓等式[等式1]v=Ri+ddt]]>=Ri+Ldidt+iddtdLd]]>=Ri+Ldidt+e]]>其中e可以用下面的等式2表示[等式2]e=iddtdLd=imdLd]]>因此，可以用下面的等式3表示能量的流動 vi=Ri2+Lididt+i2ddtdLd]]>=Ri2+ddt(12Li2)+12i2mdLd]]>其中第一項表示銅損耗，第二項表示鐵心損耗和磁能的總和，第三項指示作為機械輸出值的生成能量。在由dLd>0]]>指示的第一周期內，機械輸出值是正(+)值，使得SR發電機被用做電機。在由dLd0]]>指示的第二期間內，機械輸出值是負(-)值，使得SR發電機被用做發電機。
可以用下面的等式4表達表示從發電機獲得的電源能量的第三項[等式4]Energy=12i2mdLd]]>其中i與對相繞組供應的激發電流成比例。激發電流越高，生成能量越高。換句話說，在低速度下，角速度值減小，使得生成能量也減小。與本發明的特徵方面一致，如果增大激發電壓以增大激發電流，電流i也增大，由此保持生成能量。在這種情況下，激發電流與速度成反比例增加，使得可以抵消角速度ω的減小。
同樣，即使角速度ω在高速下是高的，用於激發的需要時間被減小，由此降低了生成能量。在種情況下，增大激發電壓使得激發電流的值也增大，由此保持生成能量。在這種情況下，激發電流的值與速度成比例增加，並且保持實質激發電流，使得可以補償生成能量。圖2是說明根據本發明，補償的激發電壓和速度之間關係的曲線圖。如圖2所示，可以將角速度ω1和ω2確定為合適的值，在該角速度ω1和ω2下補償操作開始。圖3是說明根據本發明，通過補償的激發電壓所獲得的生成能量與轉子旋轉速度之間關係的曲線圖。如圖3所示，傳統的SR發電機在低速區域和高速區域具有少量的生成能量，但應注意，可以獲得相對平滑的特性。
圖4是說明根據本發明的另一優選實施例的SR發電機的電路圖。如圖4所示，應注意，用相同的參考數字指示SR發電機的第一優選實施例中的相似組件。參照圖4，用於SR發電機中的相繞組300包括多個單元繞組310、330以及350；一個或多個繞組開關340和360，用於接通或切斷單元繞組310、330以及350間的連接；以及接線控制器700，用於控制繞組開關340和360的開關操作，使得當由速度檢測器530所檢測的速度低時，增加電感，並且當由速度檢測器530檢測的速度高時，減小電感，與如圖5所示的上述SR發電機不同。
在下文將參照
接線控制器700的操作。接線控制器700根據由速度檢測器530所檢測的速度，控制包含在相繞組300中的繞組開關340和360的開關操作，並將單元繞組310、330以及350的接線方案改變為另一種方案。
根據本發明的特性，接線控制器700控制單元繞組310、330以及350在低速下串聯，並控制單元繞組310、330以及350在高速下彼此並聯。如圖4所示，單相的相繞組300包括三個單元繞組310、330和350；以及兩個繞組開關340和360，用於控制三個單元繞組310、330和350中的接線。圖5示出上述SR發電機的定子的接線結構。根據本發明的優選實施例，將放射排列的定子磁極劃分為預設磁極組，每個包括彼此相鄰的預設磁極。分別將各個單元繞組分配至各個組中。纏繞單元繞組以允許在每個組中相鄰的磁極彼此交替。更詳細，每個磁極具有與相鄰磁極相反的極性。三個單元線圈的磁極被分為三個組，將一個單元繞組纏繞在每個組上。在圖5中，參考字符O和X指示每個繞組的繞組方向。定子增加單相機的數量，並用可在低速下產生高能量效率的方式改進接線方案。
圖6是說明根據本發明，在SR發電機中與轉子的相角相關的相位電感、發電機電流、以及電機電流之間關係的曲線圖。如圖6所示，電感在第一條件θ＝θmax下具有最大Lmax，並在第二條件θ＝θmin下具有最小Lmin。
圖7a示出在低速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中所形成的接線的外觀。圖7b示出在高速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中所形成的接線的外觀。圖8a示出在低速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中的電感和生成電流之間關係的曲線圖。圖8b示出在高速下，在包括圖5所示的接線結構的定子中的電感和生成電流之間關係的曲線圖。
可以用上述等式4表示從SR發電機生成的能量[等式4]Energy=12i2mdLd]]>如圖8a所示，在電感外形的情況下，在低速下單元繞組彼此串聯，使得電感減小。結果是，Lmax和Lmin的值也增大，並且 的值增大，使得在低速下提高了生成效率。根據本發明的另一方面，在激發電流的情況下，Lmax的值在低速下是大的，但是由於低速度保證了用於激發的足夠時間，並且升壓了激發電壓，使得可以獲得足夠的激發電流。因此，即使在低速下形成的生成能量具有小的角速度ω， 的值非常大，使得提供足夠的生成。
同時，由於在高速下單元繞組彼此平行連接，電感減小。結果是，Lmax和Lmin的值也減小， 的值減小，並且角速度ω大。根據本發明的另一方面，升壓激發電壓，使得可以獲得足夠激發電流並提高電生成。
如從上述說明明顯可知，上述SR發電機在低速和高速下升壓激發電壓，並且保證足夠的激發電流，使得低速和高速下提高生成效率。
SR發電機升壓電池的電壓，向該電池充電所生成的電壓，並且向激發電容器提供升壓的電池電壓，使得可以使用少數量的元件提高生成效率，而不包括額外的能量供應單元。
此外，SR發電機提高在低速下定子繞組的電感，並減小在高速下定子繞組的電感，使得提高低速下電感和相角之間的變化率，而且還提高了在低速下的輸出能量，由此提高生成效率。
雖然為示例的目的說明公開了本發明的優選實施例，本領域技術人員將理解，可以有各種改進、增加或替換，而不背離如所附權利要求所公開的本發明的範圍和精神。
權利要求
1.一種開關磁阻(SR)發電機，包括遞升轉換器，用於控制能夠向相繞組提供激發電流的激發電容器的激發電壓。
2.如權利要求1所述的SR發電機，其中遞升轉換器設置在能夠存儲所生成的能量的電池和激發電容器之間，升壓電池的電壓，並向激發電容器提供升壓的電壓。
3.如權利要求1所述的SR發電機，還包括速度檢測器，用於檢測轉子的旋轉速度；以及激發控制器，用於當由速度檢測器檢測的轉子旋轉速度等於或小於預設速度時，操作遞升轉換器。
4.如權利要求3所述的SR發電機，其中激發控制器與轉子旋轉速度成反比例地提高激發電流。
5.一種開關磁阻(SR)發電機，包括遞升轉換器，用於控制能夠向包含多個單位繞組的相繞組傳輸激發電流的激發電容器的激發電壓，由一個或多個繞組開關接通或切斷其連接。
6.如權利要求5所述的SR發電機，其中繞組開關連接單位繞組，使得電感在低速下增加並在高速下降低。
7.如權利要求5所述的SR發電機，其中繞組開關連接單位繞組，使得單位繞組在低速下串聯，並在高速下並聯。
8.如權利要求5所述的SR發電機，其中相繞組具有單相結構。
9.如權利要求5所述的SR發電機，其中在相繞組的單元繞組中，將放射排列的定子磁極劃分為預設磁極組，每個包括彼此相鄰的預設磁極，使得將各個單元繞組分配至每個組中，並且纏繞單元繞組以允許在每個組中相鄰的磁極彼此交替。
10.如權利要求5所述的SR發電機，其中遞升轉換器設置在能夠存儲所生成的能量的電池和激發電容器之間，升壓電池的電壓，並向激發電容器提供升壓的電壓。
11.如權利要求5所述的SR發電機，還包括速度檢測器，用於檢測轉子的旋轉速度；以及激發控制器，用於當由速度檢測器檢測的轉子旋轉速度等於或小於預設速度時，操作升壓轉換器。
12.如權利要求11所述的SR發電機，其中激發控制器與轉子旋轉速度成反比例地提高激發電流。
全文摘要
公開了在低速和高速下具有提高的效率的開關磁阻(SR)發電機。該SR發電機包括遞升轉換器，用於控制能夠向相繞組提供激發電流的激發電容器的激發電壓。因此，SR發電機可以控制激發電流，並可以向相繞組提供足夠的激發電流，由此提高效率。遞升轉換器設置在能夠存儲所生成的能量的電池和激發電容器之間，升壓電池的電壓，並向激發電容器提供升壓的電壓。因此，SR發電機不包括用於升壓功能的額外的能量供應單元，導致整體結構的簡化和製造成本的降低。
文檔編號H02K29/14GK1841889SQ20051012973
公開日2006年10月4日 申請日期2005年12月8日 優先權日2005年4月1日
發明者林俊榮, 崔鏞遠 申請人:Lg電子株式會社