用于发电系统的交流发电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于发电系统的交流发电机。所述交流发电机包括定子。所述定子包括主输出绕组、多相辅助绕组和由所述多相辅助绕组供电的励磁器磁场绕组。所述交流发电机还包括转子，所述转子包括励磁器次级绕组和由所述励磁器次级绕组供电的旋转磁场绕组。所述旋转磁场绕组的电压由所述励磁器次级绕组的电压确定。在一些发电系统中，所述转子的所述旋转磁场绕组的电流可由非稳压整流器从所述励磁器次级绕组的电流而直接整流。所述交流发电机还包括调节器，所述调节器测量所述励磁器磁场绕组的电流。所述调节器将所述电流控制至设定点，从而调节由所述定子的所述主输出绕组产生的输出电压。
【专利说明】用于发电系统的交流发电机
【技术领域】
[0001]本公开内容一般涉及发电系统，更具体地涉及用于发电系统的交流发电机。
【背景技术】
[0002]交流发电机是将机械能转换成交流形式的电能的机电设备。交流发电机可包括静止电枢或定子，静止电枢或定子可以是包括缠绕在线圈中的静止导体组(也被称为“定子绕组”或“导电线圈”)。交流发电机还可包括旋转电枢或转子，旋转电枢或转子可被定位在定子中或被定位在恒定磁场中。在一些交流发电机中，恒定磁场可由永磁体形成。旋转电枢可由内燃机驱动、转动或旋转。
[0003]当穿过导电线圈的磁通量发生改变时，交流发电机可在导电线圈上生成或诱发出电压。例如，内燃机可使被定位在定子内的转子进行转动。随着转子在定子内转动，穿过定子中的静止导电线圈的磁通量可发生改变并且生成诱发的电压。由旋转的转子生成的旋转磁场因此在定子绕组中诱发交流电压。
[0004]一些交流发电机可包括物理地被偏移的三组定子绕组。在这些交流发电机中，在内燃机驱动转子时建立的旋转磁场会产生三相电压。
[0005]在一些交流发电机中，转子的磁场可由感应(如在“无刷”交流发电机中)的方式产生，或由永磁体产生，或由通过滑环和刷子的直流激励的转子绕组等方式产生。
[0006]在由感应产生转子磁场的交流发电机中，该磁场可由在励磁器的旋转次级绕组中生成的电压进行励磁。励磁器的次级绕组可在静止励磁器磁场中旋转。在旋转次级绕组中生成的电压可被静止励磁器磁场的幅度所控制。一些交流发电机可利用固定的静止励磁器磁场，并且通过将励磁器次级绕组的输出切换至在转子中生成磁场的转子磁场来控制磁场电流。其它交流发电机可通过改变静止励磁器磁场电流来控制转子磁场绕组中的能量。
[0007]在由永磁体产生转子磁场的交流发电机中，旋转磁场可由转子中的永磁体生成，或由永磁励磁器进行励磁的转子磁场绕组生成。永磁体励磁器可包含由永磁体产生的励磁器磁场以及提供能量源以对磁场进行励磁的励磁器次级绕组。可通过将来自励磁器次级绕组的功率输出切换至转子磁场来控制磁场电流。
[0008]—些交流发电机可利用永磁体方式和感应方式的组合。例如,一些交流发电机可利用永磁励磁器以向励磁器磁场提供能量。励磁器磁场可通过将永磁励磁器的电压输出切换为开和关而被控制。对永磁励磁器的输出所进行的切换可控制被绑定至转子磁场的励磁器次级绕组的输出电压。
[0009]一些交流发电机可包括自动电压控制设备，自动电压控制设备用于控制转子磁场以在变化的负载下保持输出电压恒定。作为实施例，如果来自静态交流发电机线圈的输出电压因需求的增加而出现下降，那么自动电压控制设备使被施加至转子磁场绕组的电压增加为使得更多的电流被馈送到旋转磁场线圈中。电流的增加使在次级绕组线圈中诱发更大电压的围绕着磁场线圈的磁场也得到增加。因此，输出电压可被恢复至其原始值。
[0010]存在不同类型的交流发电机。一种类型的交流发电机为单相交流发电机，其中该交流发电机的所有主要输出引线的峰值电压几乎同时出现。另一类型的交流发电机为三相交流发电机，其中该交流发电机的主要输出引线中每个引线的峰值电压以120度(或近似120度)电旋转分离的形式出现。
[0011]交流发电机可具有至少三种操作状态。第一种操作状态可以是正常操作，其中输出电压可被调节至目标电压。第二种操作状态可以是大电感负载操作，其可涉及电机启动，其中具有被应用至交流发电机的输出的大电感负载。第三操作状态可以是短路状态，其中交流发电机的输出引线中的一个或多个引线被短路。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1至图2示出了发电系统的示例性交流发电机；
[0013]图3示出了包括两相辅助绕组的示例性交流发电机；
[0014]图4至图5示出了用于发电系统的示例性交流发电机；
[0015]图6示出了可用于控制交流发电机的磁场励磁级的示例性交流发电机；
[0016]图7示出了可用于控制交流发电机的磁场励磁级的示例性交流发电机；
[0017]图8至图9示出了用于发电系统的示例性交流发电机；以及
[0018]图1OA至图1OB示出了用于处于拐角开放三角形连接配置的交流发电机的单个三相辅助绕组的示例。
【具体实施方式】
[0019]下面的描述和附图充分地示出了【具体实施方式】以使得本领域技术人员能够实现它们。其它实施方式可包含结构形的、逻辑的、电气过程的改变和其它改变。一些实施方式的部分和特征可被包括在其它实施方式的部分和特征中，或构成其它实施方式的部分和特征。权利要求中陈述的实施方式包括这些实施方式的所有可能等同替换。
[0020]图1至图2示出了用于发电系统的示例性交流发电机11。交流发电机11可包括定子12。定子12可包括以下中的一个或多个:主输出绕组13、多相辅助绕组14、可由多相辅助绕组14供电的励磁器磁场绕组15。一些系统可包括多于一个的多相辅助绕组14。多相辅助绕组14可被配置为向励磁器磁场绕组15提供最大幅度的谐波电压(例如三阶或更高阶的谐波电压)。
[0021]交流发电机11还可包括转子16。转子16可包括励磁器次级绕组17和可由励磁器次级绕组17供电的旋转磁场绕组18。一些交流发电机11中的旋转磁场绕组18的电流可通过非稳压整流器从励磁器次级绕组17的电压直接进行整流。在此情况中，旋转磁场绕组上的电压与由励磁器次级绕组17生成的电压成正比。一些交流发电机11中的旋转磁场绕组18的电流可通过稳压整流器或开关设备(例如SCR、FET、IGBT, BJT等)以受控的方式从励磁器次级绕组17的电压进行整流。
[0022]交流发电机11还可包括调节器20，调节器20可控制被提供给励磁器磁场绕组15的功率。作为例子，调节器20可以是自动电压调节器，但是还可设想到其它类型的调节器。调节器20可控制被提供给励磁器磁场绕组15的功率，从而调节由定子12的主输出绕组13产生的输出电压。
[0023]在一些发电系统中，交流发电机11的多相辅助绕组14可被定位使得它与主输出绕组13磁去耦。磁去耦可减少主绕组的电流对辅助绕组的电压的影响。在一些系统中，磁去耦可发生在诸如单相交流发电机11上。
[0024]在一些系统中，交流发电机11可在短路状态下操作。当在短路状态下操作三相交流发电机11时，由旋转磁场绕组18生成的磁通量可被主输出绕组13中的电流生成的磁通量所消除。由主要感应主输出绕组13引起的相移能够使得对应的磁通量可部分地或全部地彼此消除。此消除状态可发生在三相交流发电机11短路状态的操作期间。
[0025]当对应的磁通量彼此消除时，可显著降低辅助绕组14上生成的基波电压。作为例子，辅助绕组14上生成的基波电压可以是正常操作电压的5-10%。此基波电压的降低可减小交流发电机11向旋转磁场绕组18供应能量的能力，这随之又可降低旋转磁场绕组18中的电流。旋转磁场绕组18的电流降低会减少穿过主输出绕组13的绕组的磁通量。由旋转磁场绕组18生成的已减少的磁通量可被由主输出绕组13中的电流生成的磁通量更容易地消除。需要来自主输出绕组13的较少输出电流来消除已减少的磁通量。因此，希望使旋转磁场绕组18的电流最大化，从而在短路状态下从主输出绕组13提供充分的电流。
[0026]当交流发电机11在短路状态下操作时，辅助绕组14上生成的电压可在很大程度上受交流发电机11的磁极距的影响。磁极距指与由每个线圈包围的圆周面积对理论最大圆周面积相关的导电线圈的机械安置的一个度量。在一些系统中，磁极距可小于短路状态下的全节距，使得对主输出绕组13生成的磁通量的消除可随着转子在交流发电机11的每个磁极内的旋转而发生改变。消除磁通量的此种改变可导致待由辅助绕组14生成的谐波电压具有比主输出绕组13中的电流的频率更高的频率。在一些系统中，辅助绕组14中生成的谐波电压可主要由三阶谐波构成。其它改变也是可能的，可生成其它谐波电压，例如更高阶电压。
[0027]在一些交流发电机11中，多相辅助绕组14可以是三相绕组，绕组之间可分离120电角度或近似120电角度。例如，绕组之间分离120电角度或近似120电角度可指绕组之间分离(尤其)100至140度。
[0028]当三相交流发电机11具有120度相位分离时，辅助绕组14中生成的三阶谐波在辅助绕组14上可得到无净相间电压。无净相间电压是指辅助绕组14的任意输出之间的电压由于减去电压幅度而为零或接近零。辅助绕组14上的无净相间电压可由三阶谐波相位分离为近似360度(B卩，3X120度)的三阶谐波所引起。
[0029]在一些交流发电机11中，三相交流发电机11的单个三相辅助绕组14在被配置为三角形或Y形配置时可向励磁器磁场绕组15提供较小电压。图1OA至图1OB示出了处于拐角开放三角形连接配置的交流发电机11的单个三相辅助绕组14的示例。图1OA示出了其中线圈连接X1、X2、X3、X4 (连接X4为内部连接)图示根据基波频率的电压相量图示而被定向的可替换的连接图的示例。
[0030]图1OB示出了其中线圈连接X1、X2、X3、X4 (连接X4为内部连接)图示根据三阶谐波频率的电压相量图示而被定向的可替换的连接图的示例。该拐角开放三角形连接配置可允许三相辅助绕组14中生成的三阶谐波电压的满幅度被提供给励磁器磁场绕组15。三相辅助绕组14中生成的三阶谐波电压的满幅度可通过连接到如图10所示的辅助绕组14而被提供给励磁器磁场绕组15。此连接配置使得三阶谐波电压被加总在一起，这引起电压以最大幅度或接近最大幅度被提供给励磁器磁场绕组15。[0031]在一些系统中，单个三相辅助绕组14可被放置为使得三相辅助绕组14的每个相位可分离120度的基本电角度或近似120度的基本电角度。三相辅助绕组14的连接可被配置为使得在三相的两相之间存在60基本电角度或近似60基本电角度的相位分离的至少一个连接。
[0032]图1示出了交流发电机11的多相辅助绕组14可包括单个三相辅助绕组。图3示出了定子的多相辅助绕组包括单个两相辅助绕组的情况，其中这两相分离90基本电角度。在其它实施例中，多相辅助绕组14可包括单个四相(或更多相)辅助绕组。在一些系统中，交流发电机可包括多于一个的多相辅助绕组14。
[0033]在一些示例性交流发电机11中，辅助绕组14的磁极距可不同于主输出绕组13的磁极距。在其它示例性交流发电机11中，辅助绕组14的磁极距可与主输出绕组13的磁极距相同。其它变化也是可能的。
[0034]在交流发电机11中使用被配置为使得励磁器磁场绕组15可用的谐波电压的幅度最大化的多相辅助绕组14能够减少电压波动，以增加电压调节器20内的整流直流电压源的电压稳定性。在交流发电机11中使用多相辅助绕组14还可通过对交流发电机11中的线圈安置进行均衡来提供更均匀的槽填充和/或冷却，由此潜在地提高交流发电机11的效率和/或减少交流发电机11的尺寸。
[0035]多相绕组14的优点为，它可在更大范围的故障场景下向励磁器磁场绕组15提供充分的能量。作为例子，主输出绕组13的单相的故障可在此特定相位短路时仅影响多相绕组14的单相。
[0036]此外，交流发电机11可以类似于短路状态的方式在电机启动期间提供更快的电压恢复，尤其与可用于许多交流发电机的单相辅助绕组相比时是这样。与利用单相辅助绕组的其它交流发电机相比，由于来自均匀分布的主输出绕组13的更平等的磁性负载，交流发电机11还可提供较低的总谐波失真。
[0037]图4至图5示出了用于发电系统的另一示例性交流发电机31。交流发电机31可包括定子32。定子32可包括以下中的一个或多个:主输出绕组33、至少一个辅助绕组34、可由辅助绕组34供电的励磁器磁场绕组35。
[0038]交流发电机31还可包括转子36。转子36可包括励磁器次级绕组37和由该励磁器次级绕组37供电的旋转磁场绕组38。旋转磁场绕组38的电压可由励磁器次级绕组37的电压而确定。在一些交流发电机31中，旋转磁场绕组38的功率可由励磁器次级绕组37的输出而确定。作为例子，旋转磁场绕组38的功率可通过使用非稳压整流器(例如，(尤其是)二极管或换向器)而由励磁器次级绕组37来提供。
[0039]交流发电机31还可包括调节器40，调节器40测量励磁器磁场绕组35的电流。调节器40可将该电流控制到一个设定点从而调节由定子32的主输出绕组33产生的输出电压。电压调节器42可建立被提供给电流控制器43的电流设定点。电压调节器42可基于交流发电机11的输出特性而建立电流设定点。示例性输出特性(尤其)包括:(i)交流发电机11的输出电压；(ii)交流发电机11的输出电流。
[0040]在一些调节器40的情况中，调节器40可以是控制一个原动机操作的发电机控制器的一部分，其中原动机用于驱动交流发电机31的转子36,原动机诸如是内燃机。
[0041 ] 在一些发电系统中，调节器40可从外部设备41接收一个设定点，从而控制励磁器磁场绕组35的电流。作为例子，所述设定点可被调节器40使用脉宽调制信号或数字通信方式从外部设备41进行接收。
[0042]外部设备41可被安装在交流发电机31的外部壳体上。在一些发电系统30中，夕卜部设备41可被定位为远离交流发电机31。作为例子，设定点可被从外部设备41使用网络(例如，因特网)接收至调节器40。
[0043]一些电压调节器可控制被施加至旋转磁场绕组38的电压。增加旋转磁场绕组38两端的电压可导致流过旋转磁场绕组38的电流开始增加。主输出绕组33的输出电压可与流过旋转磁场绕组38的电流成正比。因此，通过一些调节器施加至旋转磁场绕组38的电压可间接地联接至调节器尝试要控制的主输出绕组33的输出电压。
[0044]图6示出了可用于控制交流发电机31的磁场励磁级的调节器40的例子。调节器40可包括电压测量模块41，电压测量模块41测量主输出绕组33的输出电压。电压调节器42可用于确定旋转磁场绕组38中的电流级，从而提供相对于设定点的主输出绕组33的合适的输出电压。
[0045]在一些形式中，电压调节器42可确定交流发电机31的负载级。作为例子，可通过测量交流发电机31的输出电流和交流发电机31的输出电压来确定该负载级。确定该负载级的其它例子还包括确定发动机扭矩、交流发动机11的温度上升和/或磁场强度等。电压调节器42可基于旋转磁场绕组38中的电流磁场级和交流发电机31的负载级来确定旋转磁场绕组38中的目标磁场电流级(即，电流设定点)。
[0046]调节器40可包括电流测量模块44，电流测量模块44测量旋转磁场绕组38的电流。电压调节器42可将目标电流设定点发送至电流控制器43。该电流控制器43在需要将旋转磁场绕组38中的电流控制至所述目标电流设定点时可向旋转磁场绕组38提供来自磁场能量供给45的能量。
[0047]图7示出了可用于控制交流发电机31的磁场励磁级的调节器40的另一例子。调节器40可包括电流测量模块46，电流测量模块46测量旋转磁场绕组38的电流。外部设备47可将目标电流设定点发送至电流控制器48。该电流控制器48在需要将旋转磁场绕组38中的电流控制至所述目标电流设定点时可将来自磁场能量供给49的能量提供给旋转磁场绕组38。
[0048]在一些形式中，调节器40的电流控制器48可从旋转磁场绕组38移除能量，例如通过使至所述磁场能量供给49的有效连接反向而将负电压施加至所述旋转磁场绕组38。移除的能量可被储存在一些形式的能量储存设备(例如，电容器或电池)中或者被消耗在其它设备(例如，电阻器或辅助绕组18)中。
[0049]使用调节器40将电流控制至设定点，从而调节由定子32的主输出绕组33产生的输出电压，这样可降低与制造交流发电机31相关联的成本。因为交流发电机31可能不需要永磁体来生成磁场，因此与制造交流发电机31相关联的成本可被降低。如此，交流发电机31可能不需要以其它方式与一些永磁体一起使用的稀土材料(例如，钕)。
[0050]此外，使用电流控制的调节器40可允许全电压驱动来有效地消除励磁器磁场绕组35的电流的时间常量并且潜在地匹配成本更高的永磁体励磁的交流发电机的瞬时负载响应。与电压驱动相关联的此能量储存设备可在短路的情况下改进电机启动和/或允许交流发电机11电流增加。[0051]图8至图9示出了用于发电系统的示例性交流发电机51。交流发电机51可包括定子52。定子52可包括以下中的一个或多个:主输出绕组53、多相辅助绕组54、可由多相辅助绕组54供电的励磁器磁场绕组55。
[0052]交流发电机51还可包括转子56。转子56可包括励磁器次级绕组57和可由励磁器次级绕组57供电的旋转磁场绕组58。旋转磁场绕组58的电压可由励磁器次级绕组57的电压而确定。在一些发电系统中，转子56的旋转磁场绕组58的电流可通过非稳压整流器从励磁器次级绕组57的电流而直接整流。
[0053]交流发电机51还可包括调节器60。调节器60可测量励磁器磁场绕组55的电流。调节器60可将该电流控制至一个设定点，从而调节由定子52的主输出绕组53产生的输出电压。调节器60可被配置为将从基波电压和高阶谐波电压(例如，三阶谐波电压)获得的能量有效地供给至旋转磁场绕组58。在调节器60的一些形式中，调节器60可以是用于控制原动机操作的发电机控制器的一部分，其中所述原动机用于驱动交流发电机51的转子56。
[0054]在一些发电系统中，交流发电机51的多相辅助绕组55可以与主输出绕组53磁去耦。交流发电机51的一些多相辅助绕组55可包括:(i)被配置为使被提供给励磁器磁场绕组55的谐波能量最大化的单个三相辅助绕组两相相互分离90电角度的单个两相辅助绕组。其它变化也是可能的。
[0055]在一些发电系统中，调节器60可从外部设备61接收设定点，从而控制励磁器磁场绕组55的电流。作为例子，所述设定点可由调节器60使用脉宽调制信号或数字通信方式从外部设备61接收。
[0056]外部设备61可被安装在交流发电机61的外部壳体上。在一些发电系统60中,夕卜部设备61可被定位为远离交流发电机61。作为例子，所述设定点可由调节器60使用网络(例如，因特网)从外部设备61接收。
[0057]因此，在本文中描述了用于发电系统的示例性交流发电机。尽管参考具体实施例描述了本发明，但是明显的是，可对这些实施例进行各种修改和改变而不背离本发明的宽泛的精神和范围。由此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。
[0058]提供摘要以符合37C.F.R部分1.72(b)对摘要的要求，这允许读者确定技术公开的属性和主旨。将理解它不用于限制或解释权利要求的范围或含义。下面的权利要求由此被并入详细的描述中，每个权利要求自身作为单独的实施方式。
【权利要求】
1.一种用于发电系统的交流发电机，所述交流发电机包括: 定子，包括主输出绕组、多相辅助绕组和由所述多相辅助绕组供电的励磁器磁场绕组，其中所述多相辅助绕组与所述主输出绕组磁去耦； 转子，包括励磁器次级绕组和由所述励磁器次级绕组供电的旋转磁场绕组；以及 调节器，测量所述励磁器磁场绕组的电流并且将所述电流控制至设定点，从而调节由所述定子的所述主输出绕组产生的输出电压。
2.如权利要求1所述的交流发电机，其中所述定子的所述多相辅助绕组包括单个三相辅助绕组。
3.如权利要求1所述的交流发电机，其中所述调节器被配置为从基波电压和高阶谐波电压获得能量。
4.如权利要求1所述的交流发电机，其中所述调节器从外部设备接收设定点，从而控制所述励磁器磁场绕组的电流。
5.如权利要求4所述的交流发电机，其中所述设定点通过使用数字通信方式从所述外部设备接收。
6.如权利要求1所述的交流发电机，其中所述调节器是用于控制原动机操作的发电机控制器的一部分，所述原动机用于驱动所述交流发电机的转子。
7.一种用于发电系统的 交流发电机，所述交流发电机包括: 定子，包括主输出绕组、励磁器磁场绕组和被配置为向所述励磁器磁场绕组提供能量的多相辅助绕组，其中所述多相辅助绕组被配置为将谐波电压的最大幅度提供给所述励磁器磁场绕组； 转子，包括励磁器次级绕组和由所述励磁器次级绕组供电的旋转磁场绕组，其中旋转磁场绕组的电流被励磁器次级绕组的电流确定；以及 调节器，用于控制被提供给所述定子的所述励磁器磁场绕组的能量，从而调节由所述定子的所述主输出绕组产生的输出电压。
8.如权利要求7所述的交流发电机，其中所述多相辅助绕组的磁极距不同于所述主输出绕组的磁极距。
9.如权利要求7所述的交流发电机，其中所述旋转磁场绕组的电流通过非稳压整流器从所述励磁器次级绕组的电流直接整流。
10.如权利要求7所述的交流发电机，其中所述定子的所述多相辅助绕组包括单个三相辅助绕组。
11.如权利要求10所述的交流发电机，其中所述三相辅助绕组的每个相位分离120基本电角度或近似120基本电角度，所述三相辅助绕组的连接被配置为使得所述三相辅助绕组中的至少两个相位之间存在60基本电角度或近似60电角度的相位分离。
12.如权利要求7所述的交流发电机，其中所述定子的所述多相辅助绕组包括具有两个相位的单个辅助绕组，其中所述两个相位分离90电角度或近似90电角度。
13.如权利要求7所述的交流发电机，其中所述谐波电压为三阶谐波电压。
14.一种用于发电系统的交流发电机,所述交流发电机包括: 定子，包括主输出绕组、至少一个辅助绕组和由所述辅助绕组供电的励磁器磁场绕组；转子，包括励磁器次级绕组和由所述励磁器次级绕组供电的旋转磁场绕组；以及 调节器，测量所述励磁器磁场绕组的电流并且将所述电流控制至设定点，从而调节由所述定子的所述主输出绕组产生的输出电压。
15.如权利要求14所述的交流发电机，其中所述旋转磁场绕组的功率被所述励磁器次级绕组的输出确定。
16.如权利要求14所述的交流发电机，其中所述旋转磁场绕组的功率由所述励磁器次级绕组使用非稳压整流器提供。
17.如权利要求14所述的交流发电机，其中所述调节器从外部设备接收设定点，从而控制所述励磁器磁场绕组的电流。
18.如权利要求17所述的交流发电机，其中所述设定点被从所述外部设备使用脉宽调制信号接收。
19.如权利要求17所述的交流发电机，其中所述设定点被从所述外部设备使用数字通信方式提供。
20.如权利要求17所述的交流发电机，其中所述外部设备被安装在所述交流发电机的外部 壳体上。
【文档编号】H02K17/44GK104038004SQ201410082147
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2013年3月8日
【发明者】I·S·弗兰普顿, R·D·V·马伦, A·M·拉森 申请人:科勒公司