CN101026329A - 超效率电动发电机 - Google Patents

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CN101026329A CNA2007100791597A CN200710079159A CN101026329A CN 101026329 A CN101026329 A CN 101026329A CN A2007100791597 A CNA2007100791597 A CN A2007100791597A CN 200710079159 A CN200710079159 A CN 200710079159A CN 101026329 A CN101026329 A CN 101026329A
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Abstract

本发明提供了一种超效率电动发电机，包括：电动机电路单元；电动发电机单元，用于通过借助电能而进行的旋转来产生电能；以及发电机电路单元，用于将从电动发电机单元产生的交流电进行整流从而输出直流电。电动发电机单元包括：定子，其包括以独立的多相并联分布方式缠绕的n相电动机绕组以及2n相发电机绕组；转子，其具有叠置的硅片、埋设在叠置的硅片内并沿径向布置的平坦永磁体、以及位于叠置的硅片的中心上的轴；整流编码器，其具有检测区域和非检测区域且设置在转子的轴的端部上；以及2n个光传感器，用于当整流编码器与轴一同旋转时，通过在检测区域处打开而在非检测区域处关闭来向电动机电路单元发送光传感器信号。

Description

超效率电动发电机
技术领域
本发明涉及一种电动发电机，该电动发电机可将电能转化为旋转运动，并进一步将所述旋转运动产生的能量转化为电能，本发明更具体地涉及一种使用超效率(over-unity)无刷直流(BLDC)电动机的电动发电机。
背景技术
与具有电刷的直流电动机相同，由于BLDC电动机也没有机械接触点，因而不会产生噪音从而其使用寿命提高。因此，BLDC电动机广泛地用于各种领域，比如工业机械、家电产品、运输工具等等。BLDC电动机使用孔径传感器(hole sensor)作为转子的位置传感器，以响应于由永磁体形成的转子的极性来控制施加到定子绕组的电流的相位。
近来，考虑到石油资源的耗尽以及环境污染问题，人们已在努力寻找清洁能源。特别是在引发主要环境污染问题的汽车领域中，已经开发出电动车辆。
因此，当超效率BLDC电动机被设计成不仅用作电动车辆的电动机，而且还用作其发电机时，可以实现能量的有效利用。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种能够满足上述需要的超效率电动发电机。
本发明的目的是提供一种超效率电动发电机，当向其供应电能时，该电动发电机可通过作为BLDC电动机运行而提供旋转力，并利用该旋转力来产生电能。
本发明的其它优点、目的以及特征的一部分将在随后的说明中进行阐述，而一部分在由本领域普通技术人员研究了下面的内容后会变得清楚，或者可以通过实施本发明而获知。本发明的上述目的和其它优点可以由在说明书及其权利要求书以及附图中具体指出的结构而实现并获得。
为了实现这些目标和其它优点，并且根据本文中所具体体现和广泛描述的发明宗旨，本发明提供了一种超效率电动发电机，该超效率电动发电机包括：电动机电路单元；电动发电机单元，该电动发电机单元用于通过借助电能而进行的旋转来产生电能；以及发电机电路单元，该发电机电路单元用于将从所述电动发电机单元产生的交流电进行整流从而输出直流电，其中，所述电动发电机单元包括：定子，该定子包括n相电动机绕组以及2n相发电机绕组，所述电动机绕组通过接收来自所述电动机电路单元的电力而被磁化，并以n相的独立的多相并联分布方式缠绕，所述发电机绕组向所述发电机电路单元供应所述电能，并以独立的多相并联分布方式缠绕；转子，该转子具有叠置的硅片、埋设在所述叠置的硅片内并沿径向布置的平坦永磁体、以及位于所述叠置的硅片的中心上的轴；整流编码器，该整流编码器具有检测区域和非检测区域，且设置在所述转子的所述轴的端部上；以及2n个光传感器，所述光传感器用于当所述整流编码器与所述轴一同旋转时，通过在所述检测区域处打开而在所述非检测区域处关闭来向所述电动机电路单元发送光传感器信号。
所述整流编码器的检测区域的数量由下面的等式1确定，所述检测区域的宽度角由下面的等式2确定，所述光传感器的布置角由下面的等式3确定，并且n相光传感器的布置角由下面的等式4确定：
[等式1]
DN＝PN÷2
其中，DN是检测区域的数量，PN是转子的极数，
[等式2]
θ＝π÷PN÷(MP+GP)×(MP+GP-1)
其中，PN是转子的极数，MP是电动机的相数，GP是发电机的相数，
[等式3]
ω＝π÷PN
其中，PN是转子的极数，以及
[等式4]
ωn＝π÷PN÷GP
其中，PN是转子的极数，GP是发电机的相数。
所述定子还可以包括：多个磁通分割槽(flux dividing slot)，每个磁通分割槽均具有相对较窄的宽度，并形成于电动机绕组槽与发电机绕组槽之间；以及多个抵消消除槽(cancel eliminating slot)，每个抵消消除槽均具有相对较窄的宽度，并形成在相邻的发电机绕组槽之间。
所述电动发电机单元还可以包括用于检测所述转子的转速的速度编码器。
所述电动机电路单元可以包括：直流供电单元，该直流供电单元利用对交流电进行整流或者由电池形成的直流电，以供应该直流电；电力切换单元，该电力切换单元具有与相位相对应的H桥，每相的四个功率半导体装置都被连接到所述电动机绕组，所述半导体装置中的两个根据控制信号而交替开关，以向所述电动机绕组供应所述直流电；极性控制单元，该极性控制单元接收通过所述整流编码器而由所述光传感器生成的光传感器信号，从而提供所述控制信号，以形成用于所述电力切换单元的电子整流器；以及PWM(脉宽调制)控制单元，该PWM控制单元用于产生PWM信号并将该PWM信号发送给所述电力切换单元，该PWM信号用于根据速度控制单元的控制信号和控制输入单元的命令值来控制转速。
应当理解，本发明的以上概括介绍和以下详细介绍都是示例性和说明性的，并旨在提供对要求保护的发明的进一步说明。
附图说明
所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，并结合在本申请中从而构成本申请的一部分，这些附图示出本发明的实施例并与说明一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据本发明实施例的超效率电动发电机的框图；
图2是图1的超效率电动发电机的定子的示意图；
图3是图1的超效率电动发电机的定子绕组的视图；
图4是图1的超效率电动发电机的转子的示意图；
图5是图1的超效率电动发电机中所用的编码器的示意图；
图6是表示图1的超效率电动发电机的控制操作的视图；以及
图7是图1的超效率电动发电机的信号波的视图。
具体实施方式
下面将详细参照本发明的优选实施例，附图中示出了这些优选实施例的示例。在全部附图中尽可能使用相同附图标记来表示相同或相似的部件。
图1是根据本发明实施例的超效率电动发电机的框图。
参照图1，本实施例的超效率电动发电机包括：电动发电机单元100；电动机电路单元200，该电动机电路单元使电动发电机单元100的转子旋转，使得该电动发电机单元100可产生电能；以及发电机电路单元300，该发电机电路单元通过对从电动发电机单元100产生的交流电进行整流而输出直流电。
电动发电机单元100包括：主体，该主体具有位于外壳102内的定子110(参见图2)和转子120(参见图4)；以及与该主体的轴125一同旋转的速度编码器130和整流编码器140。
电动机电路单元200包括直流供电单元210、电力切换单元220、极性控制单元230、速度控制单元240、控制输入单元250、以及脉宽调制(PWM)控制单元260。
直流供电单元210通过对商业交流电进行整流而经由开关212向电力切换单元220供应直流电，或者，该直流供电单元由电池形成，从而经由开关212向电力切换单元220供应直流电(V+，V-)。
电力切换单元220响应于控制信号而开关功率半导体装置，以将直流供电单元210的电力传输到定子110的电动机绕组M。在这里，由于电力切换单元220设置成向定子110的电动机绕组M供应直流电，因此其结构可以根据电动机的类型(定子绕组的相数)而改变。为了驱动一相，需要四个开关元件Q1-Q4。由于这四个开关元件Q1-Q4彼此相连成H形，因此将它们称为H桥。因此，电力切换单元220包括多个H桥。可以使用晶体管、IGBT、MOSFET、以及FET作为开关元件。
极性控制单元230接收来自电动发电机单元100的整流编码器140的光传感器信号，并向电力切换单元220发送用于电实现整流器的控制信号，从而电实现整流器。速度控制单元240接收来自电动发电机的速度编码器的编码器信号，并向PWM控制单元260发送速度控制信号。
控制输入单元250根据工人的操作来发送对转速的控制信号。PWM控制单元260向电力切换单元220发送用于根据控制信号对电动发电机单元100的转速进行控制的PWM信号。
发电机电路单元300包括直流整流器310，该直流整流器对从发电机绕组G产生的交流电进行整流并向电力切换单元220输出直流电。
图2是图1的超效率电动发电机的定子的示意图，图3是图1的超效率电动发电机的定子绕组的视图，图4是图1的超效率电动发电机的转子的示意图，而图5是图1的超效率电动发电机中所用的编码器的示意图。
电动发电机单元100包括位于外壳102内的定子110、安装在外壳外侧的速度编码器130、以及整流编码器140。
如图2所示，定子110包括多个彼此叠置的环形硅片111、多个发电机绕组槽112-1和112-2、多个电动机绕组槽113、多个磁通分割槽114、多个抵消消除槽115、缠绕在相应发电机绕组槽112-1和112-2周围的多个发电机绕组G、以及缠绕在相应电动机绕组槽113周围的多个电动机绕组M。
电动机绕组M用作通过接收来自电动机电路单元200的电力而使转子120(即，电动机)旋转的电动机。发电机绕组G用作利用由转子120旋转感应出的电流而产生电力的发电机。
在该实施例中，绕组槽和绕组的总数是54，被分在6个区域中。每个区域中布置有9个绕组M、G、G、M、G、G、M、G和G(即，3个电动机绕组M和6个发电机绕组G)。
再次参照图2，该实施例的定子110被设计成独立的多相并联分布绕组结构。就此而言，电动机绕组M的相数是2、3、4…n。发电机绕组G的相数是4、6、8…2n。电动机绕组M被连接到电力切换单元220的相应H桥。发电机绕组G被连接到相应的直流整流器310。
当各个相的绕组并联缠绕时(如图3所示)，这些绕组通过相位和极性进行分布和缠绕并连接到相应的导线上，相互没有任何连接。
如上所述，通过以独立的多相并联分布结构形成定子110，可以在低电压时实现大的输出。由于电动机绕组M的数量和发电机绕组G的数量之比为1∶2，因此可以实现大于200％的超效率。
此外，由于在电动机绕组槽113与发电机绕组槽112-1或112-2之间设有宽度均相对较窄的磁通分割槽114，因此磁通被分割，从而阻断了可供电动机绕组M的磁通流向发电机绕组G的路径，使得电动机绕组M的磁通只可流向定子110的磁场，从而使电动机能更有效地驱动。此外，磁通分割槽114使电动机绕组槽113周围的励磁宽度保持不变，从而使电动机绕组槽113可以在驱动或交替期间不影响相邻绕组槽或不受相邻绕组槽影响地进行操作。
在发电机绕组槽112-1与相邻发电机绕组槽112-2之间设有宽度均相对较窄的抵消消除槽115，以消除磁通相抵(flux cancel)，从而提高了发电效率。
参照图4，电动发电机单元的转子120包括多个彼此叠置的硅片121以及多个平坦的永磁体122，这些永磁体沿径向埋设在叠置的硅片121中。就此而言，永磁体122被设计成具有强磁力，以致于可形成相对较宽的磁场表面，因此可使磁通聚集在该磁场表面上，从而增大磁场表面的磁通密度。转子120的极数根据定子110的极数而定。
下面详细介绍转子120，六个永磁体122等距离地彼此间隔开并埋设在叠置的圆形硅片121中。在叠置的圆形硅片121的中心上设有非磁芯124，以支撑永磁体122和硅片121，并且穿过非磁芯124的中心设有轴125。永磁体122形成为平坦形状，并且在永磁体122之间形成有空置空间。
使用永磁体的电动机被设计成具有通过转子120的被动能量和定子110的主动能量相结合而形成的旋转力。为了实现电动机中的超效率，增强转子120的被动能量是非常重要的。因此，在本实施例中使用“钕(钕、铁、硼)”磁体。这些磁体增大了磁场表面并使磁通能聚集到转子的磁场上，从而增大了磁场的磁通密度。
与此同时，设置整流编码器140和速度编码器130来控制电动发电机单元100的旋转。如图5所示，整流编码器140和速度编码器130被安装在电动机主体外壳的外侧凹部上，以与转子120的旋转轴125一同旋转。
参照图5，速度编码器130为杯状的编码器，其具有彼此均匀间隔开的突起。该速度编码器130与安装在传感器安装板150上的光传感器152一同操作，以产生速度信号。整流编码器140也是杯状的编码器，其具有检测区域144和非检测区域142。整流编码器140与安装在传感器安装板150上的光传感器一同操作，以产生用于实现电子整流器的光传感器信号。
整流编码器140的检测区域144的数量根据下面的等式1来确定，而检测区域的宽度角θ根据下面的等式2来确定。
[等式1]
DN＝PN÷2
其中，DN是检测区域的数量，PN是转子的极数。
[等式2]
θ＝π÷PN÷(MP+GP)×(MP+GP-1)
其中，PN是转子的极数，MP是电动机的相数，GP是发电机的相数。
此外，每一相的两个光传感器(第一和第二光传感器)154被设置成可与整流编码器140一同操作。就此而言，第一和第二光传感器154的布置角ω根据下面的等式3来确定。
[等式3]
ω＝π÷PN
其中，PN是转子的极数。
因此，在n相电动机中，2n个光传感器154的布置角ωn可根据下面的等式4来确定。
[等式4]
ωn＝π÷PN÷GP
其中，PN是转子的极数，GP是发电机的相数。
图6是表示图1的超效率电动发电机的控制操作的视图，图7是图1的超效率电动发电机的信号波的视图。
如图6所示，每相的两个光传感器154被连接到相应相的H桥的半开关的开关元件，以实现电子整流器。就此而言，位于整流编码器的检测区域144上的光传感器打开电子整流器的相应相的半桥，以确定转子的旋转方向及电动机的驱动。当电动机旋转时，通过检测区域144的宽度来实现励磁宽度调制，以开关半桥从而确定半桥交替开关所根据的开关周期，以便有效地驱动电动发电机单元100。此外，当通过根据PWM控制单元260的控制信号而进行的PWM控制来增大或减小电动发电机单元100的速度时，电动发电机单元100的电压发生改变，从而使该电动发电机单元100可恒速运转，由此维持预定的所需电压。
例如，参照图6，从电动机电路单元200输入的直流电V+和V-被连接到相位A、B和C的H桥，以将电力供应至相应相位的电动机绕组M。相位R、S和T的H桥以及相位U、V和W的H桥利用相应的二极管整流器对由各个相位的发电机绕组G产生的相应电力进行整流，从而输出直流电压。
下面介绍作为电动机操作的相位A、B和C的H桥，晶体管Q1至Q4形成了用于相位A的H桥。晶体管Q1与晶体管Q3的基极被连接到第二光传感器PA2。晶体管Q5至Q8形成用于相位B的H桥。晶体管Q5与晶体管Q7的基极被连接到第一光传感器PB1。晶体管Q6与晶体管Q8的基极被连接到第二光传感器PB2。此外，晶体管Q9至Q12形成用于相位C的H桥。晶体管Q9与晶体管Q11的基极被连接到第一光传感器PC1，而晶体管Q10与晶体管Q12的基极被连接到第二光传感器PC2。
下面将介绍在上述连接状态中，当如图6所示，相位A的第一光传感器PA1和相位B的第一光传感器PB1位于整流编码器140的检测区域144上，且其余的光传感器PC1、PA2、PB2和PC2位于非检测区域142上时的操作。
首先，由于相位A的第一光传感器PA1位于整流编码器的检测区域144上，因此晶体管Q1打开，而晶体管Q3关闭。由于相位A的第二光传感器PA2位于整流编码器的非检测区域142上，因此晶体管Q2关闭而晶体管Q4打开，从而允许电流从晶体管Q1经由电动机绕组M流向晶体管Q4。
由于相位B的第一光传感器PB1位于整流编码器的检测区域144上，因此晶体管Q5打开，而晶体管Q7关闭。由于相位B的第二光传感器PB2位于整流编码器的非检测区域142上，因此晶体管Q6关闭而晶体管Q8打开，从而允许电流从晶体管Q5经由电动机绕组M流向晶体管Q8。
如果第一光传感器PA1和第二光传感器PA2都位于非检测区域上，则没有电流施加。当第二光传感器PA2位于检测区域上时，晶体管Q2和Q3打开，从而允许电流从晶体管Q2经由电动机绕组M流向晶体管Q3。就此而言，可以注意到，沿着电动机绕组M流动的该电流方向与第一光传感器PA1位于检测区域上时的电流方向相反。
再次，当第一光传感器PA1和第二光传感器PA2都位于非检测区域142上时，同样没有电流施加。重复这一过程以实现交流电施加。就此而言，相位A、B和C受到交变的相移激励，从而有效地驱动电动发电机单元100。因此，从发电机绕组G产生梯形电流，从而输出电压根据转速增减的电力。
图7表示相位A、B和C在电动发电机轴的0-360°的转角范围内的转矩示意波形、在0-360°转角范围内的转矩示意波形(A+B+C)的总转矩波形，以及相位R、S和T及相位U、V和W在0-360°的转角范围内的电流波形。
在图7中，PA1和PA2表示相位A的光传感器的开/关波形，PB1和PB2表示相位B的光传感器的开/关波形，PC1和PC2表示相位C的光传感器的开/关波形。
根据本发明，由于电动机和发电机被集成在一起，因此能够有效地利用能量。具体而言，由于电动机绕组与发电机绕组之比为1∶2，因此能够实现超效率电动发电机。
本领域的技术人员很清楚，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果这些修改和变型落入所附权利要求及其等同物的范围内，则本发明亦涵盖这些修改和变型。

Claims (5)

1.一种超效率电动发电机，该超效率电动发电机包括：
电动机电路单元；
电动发电机单元，该电动发电机单元用于通过借助电能而进行的旋转来产生电能；以及
发电机电路单元，该发电机电路单元用于将从所述电动发电机单元产生的交流电进行整流从而输出直流电，
其中，所述电动发电机单元包括：
定子，该定子包括n相电动机绕组以及2n相发电机绕组，所述电动机绕组通过接收来自所述电动机电路单元的电力而被磁化，并以n相的独立的多相并联分布方式缠绕，所述发电机绕组向所述发电机电路单元供应所述电能，并以独立的多相并联分布方式缠绕；
转子，该转子具有叠置的硅片、埋设在所述叠置的硅片内并沿径向布置的平坦永磁体、以及位于所述叠置的硅片的中心上的轴；
整流编码器，该整流编码器具有检测区域和非检测区域，且设置在所述转子的所述轴的端部上；以及
2n个光传感器，所述光传感器用于当所述整流编码器与所述轴一同旋转时，通过在所述检测区域处打开而在所述非检测区域处关闭来向所述电动机电路单元发送光传感器信号。
2.根据权利要求1所述的超效率电动发电机，其特征在于，所述整流编码器的检测区域的数量由下面的等式(1)确定，所述检测区域的宽度角由下面的等式(2)确定，所述光传感器的布置角由下面的等式(3)确定，并且n相光传感器的布置角由下面的等式(4)确定：
等式(1)：DN＝PN÷2
其中，DN是检测区域的数量，PN是转子的极数，
等式(2)：θ＝π÷PN÷(MP+GP)×(MP+GP-1)
其中，PN是转子的极数，MP是电动机的相数，GP是发电机的相数，
等式(3)：ω＝π÷PN
其中，PN是转子的极数，以及
等式(4)：ωn＝π÷PN÷GP
其中，PN是转子的极数，GP是发电机的相数。
3.根据权利要求1所述的超效率电动发电机，其特征在于，所述定子还包括：
多个磁通分割槽，每个磁通分割槽均具有相对较窄的宽度，并形成于电动机绕组槽与发电机绕组槽之间；以及
多个抵消消除槽，每个抵消消除槽均具有相对较窄的宽度，并形成在相邻的发电机绕组槽之间。
4.根据权利要求1所述的超效率电动发电机，其特征在于，所述电动发电机单元还包括用于检测所述转子的转速的速度编码器。
5.根据权利要求1所述的超效率电动发电机，其特征在于，所述电动机电路单元包括：
直流供电单元，该直流供电单元利用对交流电进行整流或者由电池形成的直流电，以供应该直流电；
电力切换单元，该电力切换单元具有与相位相对应的H桥，每相的四个功率半导体装置被连接到所述电动机绕组，所述半导体装置中的两个根据控制信号而交替开关，以向所述电动机绕组供应所述直流电；
极性控制单元，该极性控制单元接收通过所述整流编码器而由所述光传感器生成的光传感器信号，从而提供所述控制信号，以形成用于所述电力切换单元的电子整流器；以及
脉宽调制(PWM)控制单元，该脉宽调制控制单元用于产生脉宽调制信号并将该脉宽调制信号发送至所述电力切换单元，该脉宽调制信号用于根据速度控制单元的控制信号和控制输入单元的命令值来控制转速。
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