专利名称：高效发电机的制作方法
高縱电机 相关申请的交叉引用本申请要求美国临时申请No.6(V938，537的驢，该美国申请的申请 日为2007年5月17曰，发明名称为高皿电机。
鹏页域本申请总地涉及一种发电机系统，尤其涉及用于糊的发电机系统, 其包括应用低导通电阻金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关的有 源整流器电桥，和控制该开关的控制方案。
背景狱车辆应用由耦合到^^发动机的皮带驱动的发电机，以产生电能。车 用发电机一,用具有三相定子绕组的AC同步电机、^/R极转子上的DC励 磁绕组、^ffi调节器以H相二极管桥，流器以产生DC输出。同步电机的 励磁电流由电压调节器控制，以调节发电机的DC输出电压。永磁铁已经自 于爪极设备中以增加给定发电机的能量输出和发电机效率。高皿电机一^Zffl成形的导体定子绕组以斷氐铜损、更薄的定， 片以斷氐铁损、低滑动轴承、层叠的转子构造和永 磁，所有这些都显著地 增加了发电机的^和质量。如上所述，己知的发电机配件一te用三相二极管电桥来将AC电流 转换成DC电流，其中二极管取决于M31H相电线的电流传播方向而传导。三 相电机一般需要六个二极管。三相二极管电桥一般会占发电机总损失的 20°/cr50%。尤其是，用于传导二极管的功率量在100安培时可提供大约180瓦 特的功率损失和大约1.8伏特的总二极管电压损失。
发明内容
根据本发明的教导，公开的发电机系统包括三相AC电机和应用低导 通电阻开关的有源整流器电桥，如MOSFET开关，以将来自电机的AC电流转 换为DC电流。本系^S包括开雜制电路，以与三相电流同步地切换MOSFET 开关。该系统利用电机的對目接地电压或相间电E (phase-to-phase voltage)作为开，制电路的输入。如果测量单相接地电压(phase-aground voltage),则 控制电路首先从单相接地电压确定相间电压。相间电压还可以直接鹏差分放 大电路进行观懂。控制电路然后确定^h相间电压都是高于还是低于第一麟 二预定阈值电压，其中如果相间电压高于第一阈值电压，则控制电路断开该开 关，如果相间电压低于第二阈值电压，则控制电鹏通该开关。如果电机的速 度低于预定阈值，则该系^^^f关失效。参M 附附图，本发明的其它特性将随着以下的描述和所附的权利 要求更加清楚。
图2(a》2(b)歸出根据本发明的一实施例的在图1的发电丰M统中选 择形也接通和断开MOSFET开关的过程的流程图；和图3(a)"3(b);i^出根据本发明的另一实施例的在图1的发电机系统中 选择性地接通和断开MOSFET开关的MI呈的,图。
具体实施例方式图1是根据本发明的一实施例的发电縣统10的示意图。系统10 包括三相绕线转子同步电机12，例如爪极电机，在电机12的转子56具有磁场 线圈58和在电机12的定子54上具有三相AC同步电枢线圈。在非限制性实施 例中，电机12是伦德尔(Lundell)电机。Wmt间在电机12的转子56中合 并A7乂磁铁，以便为由磁场线圈58产生的WI^附加的M，其中，总鹏 负责产生电枢线圈中的M。系统10还包括腿调节器14，其M31整流生成的AC腿来调节在 系统10的正,16和负轨道18之间产生的DC Vdc。 DC电压用于在， 中驱动DC负载20,并对糊电池22充电，其中电阻Rbat是电池22的内电阻。 电压调节器14对电机12内的磁场线圈58 ,脉宽调制(PWM)控制。尤其是, 畅调节器H il^ft号到MOSFET开关24，以允i權制电流^^到磁场线圈58。系统10包括具有许多二极管28、 30、 32、 34、 36和38的逆劳整流 电路26，其M^和阻塞电流以将来自电枢线圈的AC电iM流为DC电流，以 操作负载20和对辅电池22充电。逆势整流电路26也包l^午多MOSFET开 关40、 42、 44、 46、 48和50, ^#自耦合在二极管28、 30、 32、 34、 36和38 两端，并且当二极管导通时，即当电流以正向偏置方向流过二极管时，围绕二 极管衝共低电阻电 ^。开，制电路52依照二极管28、 30、 32、 34、 36 或38歸导M^制开关40、 42、 44、 46、 48和50是打开还是闭合。二极管 28、 30、 32、 34、 36和38可是各MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50内 的^^体漏二极管(integralbody"draindiodes)。 jl^卜，1管28、 30、 32、 34、 36和38可以是齐纳二极管,i^F纳二极管^it穀i^Sl反向击穿电压的相Mil 腿时具有箝压能力。在电路26中用节点A、 B和C标识的在定子端之间的對目接地电压 VA、 Vb和Vc，以及电池接鹏负轨道18 WrAIlJ控制电路52,以确定电机 12的转子位置。可以应用分压电路(未显示)来在节点A、 B和C和接地车爐 18之间的相^ffi^分成到适舒控制电路52的电平。该信息允许控制电路52 知道要闭合哪些MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50以提供电流整流。尤 其是，当，的二极管28、 30、 32、 34、 36和38导通以ilf維流时，与二极 管28、 30、 32、 34、 36或38相关联的开关40、 42、 44、 46、 48或50闭合以 提供旁路二极管28、 30、 32、 34、 36或38的低电Mit。来自控制电路52的 输出线被应用到MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50的栅极端，以提供闭 合开关的信号。齡MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50的接通和断开JiJlii 在来自电机12的输出波形的正负半周期间将相间电压与预定高和低阈itzK平进 行比较而被控制的。MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50的控制电路52 被拥一个或多个糊接地电压Va、Vb和Vc的频率来检测发电mil^(RPM)。 对于在预定阀值之下的发电lnj^度，MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50
是失效的，以防止电池22 M31^:电m^a进行不期望的放电。图2(a》2(b)的流程图60示出了根据本发明的一个实施例的用于切换 MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50的操作，以，电^l^流。该算法在框62处初始化校准参数^H吏MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50失效(打 开)。校准参数可以包括由控制电路52使用的电压阈值和最小RPM (这两者将 在以下进行介绍)，以及其它对发电目统10的操作必要的系统参数。算総后在框64处测量了齡相位和电W^间的电压以获得對目 接土也电压VA、 Vb和Vc,以供输AI啦制电路52。對目接地电压VA、 Vb和Vc 可能需要衰M^C大到适合控制电路52中的数字电路的电平。该算総后在框 66皿，接地电压VA、 Vb和Vc，分別按照Va-Vb、 Vb-Va 、 VB-VC、 VC-VB、 Vc-Va和Va-Vc，来计對目间^EVAB、 Vba、 Vbc、 Vcb、 Vca禾Q Vac。也可能 直接从Vab、 Vbc和Vca按照Vba二Vab、 Vcb="Vbc和Vac=>Vca，来计算VfiA、 Vcb和Vac。也可能iOT差分放大器^^它^S的设备直接测量相间feffi。
岡该算法进"^赃框66处例如舰一个或多个糊接地腿VA、 Vb和Vc的频率或一个或多个相间^E Vab、 Vbc和VcA的频率来确定电机12 的速度。象M后在判断菱形68处确定电机12的RPM是否髙于预定的阈值 RPMth，如果不是，返回框62以初始化校;tMt当电机12的m^低于予I^ RPM时，该算法防止接通MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50，以防止电
池22 aa^电鹏^t行不期望的放电。如果^11^68鄉嘶献几12的鹏高于阈值RPMTH，贝iJi^鹏 个MOSFET，40、 42、 44、 46、 48和50的相间电压与 ]^J阈值^EVfflH^口 V加进行比较。如^t寺定的相间^E是高于该阈值腿Vthi+,那么^i将闭合 与戶;M相间电压相关联的开关40、 42、 44、 46、 48或50。如果MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48或50,定相间腿劍01阈值腿￥孤，贝啦制鹏52榭吏 i^^T开。 一旦特定的MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48或50被打开或,,
它将一直^fi^ft ;ii,離以^^^态。如 #|雕腿V孤
以傲辦定的MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48或50 )^|着相关联的1及飾
导通而打开或船。在一^M例中，l:離腿ViHJ+在Vcfc土lV的范围内，驗
到V&40.25V的范围内，其中V&是^!E轨道16和负,18两端的电压。在一实 施例中，離秘Vmi在土lV的范围内惑10mV或+10mV的范围内。单独的通道72中示出对于^^MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48 和50进行的每次相间,比较。算法在判断菱形74处确定特定MOSFET开关 40、 42、 44、 46、 48或50的相间电压^髙于预定的阈值V佃+。如果在判断菱形74处相间4ffi髙于该阈值电压Vm+，那么算法在框76处闭合该MOSFET 开关40、 42、 44、 46、 48或50。否则维持MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48 或50在其之前的状态。算法然后在判断菱形78处确定相间^J1是否低于阈值 VTO1.，如果是，在框80处打开MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48或50。 否则维持MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48或50在其之前的状态。然后所有 的输出信号在框82处l^^ljMOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50， ；MI 3iliM回至框64。通过^ffi MOSFET开关和上面讨论的控制方法，发电机系统10具 有^ 用纯二极管整流器电桥的发电机系统的许多优点。特别是，发电机系 统10显著地斷氐了发电机整流损失，显著斷氐了散繊的工作鹏，由于斷氐
了热负载而可會^1^>了鹏的空气流动来斷氏纖损失和噪音，舰高了 发电机系统10的总效率，及改善了^5麵经济。财卜，所描述的控制方法无 需附加的传繊，如相电流传繊、DC总线电流传S^或lt^^g传繊，这
對专^tP会大:^&增加^和/或由于传感器中能量损^f带来的效率斷氐。可以仅^ffl三相间,Vab、 Vbc和Vca，制MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48或50。图3(a"(b)的流程图90示出了根据本发明的这一个实施 例的用于切换MOSFET开关40、 42、 44、 46、 48和50的操作，以,电流整 流，其中与流程图60相类似的单元由相同的附图^EiS行标注。在该实施例中， 框66己经由框92所代替，其中只计算相间,VBc、 Vcb和Vac。由于相间电
压VBA、 Vcb和Vac絲知的，那些相间电压与阈值MVTH+和VraN的比较需
要^^/已知的相间电压。特别是，如图所示，繊图90中的魏判断框94、 96、 98、' 100、 102和104己经改^包括与阈值电压Vmi^口 ViHi.有^S关系
的相间电压vab、 Vbc和Vca。前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人 员可以从这些讨论和所附的附图和不同变化的权利要求中容易i&it行识别，在 不脱离下述权利要求定义的本发明的精神和范围下进行修改和变化。
权利要求
1、一种发电机系统，包括AC电机，包括多个电枢线圈；与电枢线圈电耦合的整流电路，所述整流电路包括多个开关；以及控制电路，提供控制信号到整流电路，以使开关接通或断开，从而将AC信号转换成DC信号，所述控制电路确定所述电机的相间电压是高于第一预定阈值电压还是低于第二预定阈值电压，其中如果所述电机的特定相位的相间电压高于第一预定阈值电压，则控制电路接通与所述特定相位相关联的开关，并且其中如果这个相位的相间电压低于第二预定阈值电压，则断开该开关。
2、 根据权利要求1戶腐的系统，其中控制电路确定电枢线圈的糊接地电压，并从,接地,计算得到相间电压。
3、 根据权利要求1戶，的系统，其中控制电路直接测量电枢线圈的相间电压。
4、 根据权利要求1舰的系统，其中控制电路确定所述电机的速度是否低 于预^I度阈值，并且如果电机的3iM氐于OTt阈值，则禁止接通开关。
5、 根据权利要求1戶做的系统，其中所述开关是MOSFET开关。
6、 根据权利要求1所述的系统，其中臓电机包括三个电枢线圈。
7、 根据权利要求6所述的系统，其中控制电^^于与电枢线圈相关联的三 个相位的三个单相接地M^计算六个相间M。
8、 根据权利要求6戶舰的系统，其中控制电鹏于与电枢线圈相关联的三 个相位的三个单相接地电ffi^计算三个相间电压。
9、 根据权利要求6所述的系统，其中三个电枢线圈基本上是TO称的。
10、 根据权利要求1戶服的系统，其中第一予跪阈值电压是正值，鄉二 職阈值电压不同于第一预定阈值电压。
11、 根据权利要求1臓的系统，其中整流电船括电耦合到^W关两 端的二极管。
12、 根据权利要求ll所述的系统，其中二极管是具有箝压能力的齐纳二极管。
13、 根据权利要求11所述的系统，其中所述开关是MOSFET开关，并且二极管是在各自MOSFET开关内的整体体漏二极管。
14、 —种用于糊的发电 统，所縣统包括 三柩C电机，包括三个电枢线圈；与电枢线圈电耦合的整流电路，所述整流电路包括六个MOSFET开关；以及控制电路，il^制信号到整流电路，以将使MOSFET开雜通或断开， 从而将来自戶腿电机的AC信号转换成DC信号，所鹏制电路确定顿线圈 的单相接地电压，并腿些单相接地腿计算六个相间电压，所鹏制电路进 一步确定所述电机的相间电压是否高于第一预定阈值电压和低于第二预定阈值 电压，其中如果所述电机的特定相位的相间电压高于第一预定阈值电压，贝啦 制电路接通与所述相位相关联的开关，并且如果戶脱相位的相间,低于第二 予 阈值电压，则断开该开关。
15、 .根据权利要求14所述的系统，其中控制^确定所述电机的，是否 低于予腕鹏阈值，并且如果所述电机的舰低于该鹏阈值，贝噤止接通开 关。
16、 根据权利要求14所述的系统，其中整流电,括电耦合到^W关两 端的二极管。
17、 根据权利要求16所述的系统，其中二极管是具有箝压能力的齐纳二极管。
18、 根据权利要求16戶脱的系统，其中二极管是在各自MOSFET开关内 的鄉体漏二极管。
19、 根据权利要求14所述的系统，其中第一预定阈值电压是正值，且第二 预定阈值^E不同于第一预定阈值电压。
20、 一种对来自AC电机的AC信号进行整流的方法，臓方飽括确定戶，电机的^h相位与预定接ifct间的电压；从斜目接地电压i，目间电压；将相间电压与第一预定阈值电压和第二预定阈值^JES行比较； 如果所述电机的特定相位的相间电压高于第一预定阈值电压，则接通与所 述相位相关联的开关；并且如果戶;M相位的相间电压低于第二预定阈值电压，则断开该开关。
21、 根据权利要求20所述的方法，进j包括确定所述电机的鹏，并且如果0f^电机的3Ijg低于fl^US，则禁止闭合开关。
22、 根据权利要求20所述的方法，其中AC电机魏括三个电枢线圈的三 相AC电机。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中确定戶皿电机的^h相位和 跪接 Jte间的电压包括确^H个斜目接地电压，并且从所确定的单相接地电压计算 相间电压包JSi十算六个相间电压。
24、 根据权利要求20戶腿的方法，其中所述开关是MOSFET开关。
25、 根据权利要求20所述的方法，进^包括^i共电齢到齡开关两端 的3及管。
26、 根据权利要求25所述的方法，其中二极管是具有箝压能力的齐纳二极管。
27、 根据权利要求25所述的方法，其中开关是MOSFET开关，并且其中 二极管是在各自MOSFET开关内的,体漏二极管。
全文摘要
高效发电机。一种发电机系统包括三相AC电机和应用低导通电阻MOSFET开关的有源整流器电桥，用于将来自电机的AC电流转换为DC电流。本系统还包括开关控制电路，用于与三相电流同步切换MOSFET开关。该系统确定电机的单相接地电压作为开关控制电路的输入。控制电路从单相接地电压计算得出相间电压。控制电路然后确定每个相间电压是高于还是低于第一和第二预定阈值电压，如果相间电压高于第一阈值电压，则控制电路断开该开关，如果相间电压低于第二阈值电压，则控制电路接通该开关。
文档编号H02J7/16GK101309019SQ20081012771
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月16日 优先权日2007年5月17日
发明者C·S·纳穆杜里, L·郝 申请人:通用汽车环球科技运作公司