CN101350534B - 具有可配置相绕组连接的磁发电机电压调节器 - Google Patents

Abstract

一种电压调节器，从永磁体电压发电机接收交流电，具有可配置相绕组连接以供给电池直流电。该电压调节器包括连接在电压发电机的相绕组的端子和电池电源端子之间的多个半桥整流器；它还包括控制电路，其被设计成一旦超过电压发电机的相频率的阈值，就与电池的充电电压有关地在两个不同配置，如星形和三角形配置之间改变相绕组的连接。

Description

具有可配置相绕组连接的磁发电机电压调节器

技术领域

本发明涉及具有可变绕组配置的类型的磁发电机电压调节器，一般用于充电给电负载供电的电池，以维持电池电压在恒定的额定值而与电池所连接的电负载所需的功率无关，这种电池在磁发电机的低和高转数都需要足够量的能量。

背景技术

在设计成在低和高转数都可运行的电压磁发电机的大量应用中，例如供电能给点火电路和/或用于给小型内燃机供电的电池、小型水运工具的外置引擎，或需要在不同转速的不同电流值的其他应用中，可以通过干预发电机本身的电力和机械尺寸来满足这些要求。通常，对于大尺寸的电压磁发电机这是可能的，但是，这需要空间的可用性和在任何情况下的相当大的重量和相对较高的成本。另外，关于设想的应用和发电机的操作状态，在某些情况下，在消耗任何过量功率上可能引发问题。

无论在哪儿，因空间、成本或其他原因都不可能采用更大尺寸的电压发电机，所以有必要选择合适的电力解决方案以满足各种应用的需要，并保持发电机的总尺寸和重量相对有限。

还已知的是为了改变电压磁发电机的功率，通常需要改变励磁绕组的匝数，根据人们是否想要在输出电流上优先以及低或高操作速度下的性能来增加或减少绕组匝数。为了这个目的，过去采用提供有能够供应高输出功率的多个绕组的磁发电机，同时保持重量和总尺寸相对有限。

根据以前提出的解决方案，采用了电压发电机，其励磁绕组可操作地连接到包括多个二极管和被微处理器控制的电子开关的控制电路。微处理器被编程为一旦转速变化，就在低转数的“串联配置”和高转数的“并联配置”之间改变相绕组的配置或连接；例如这种解决方案描述于美国专利7,026,794中。

虽然一方面这一解决方案对于解决部分前述问题做出了贡献，但是另一方面它仍然存在限制和不足，如单相交流发电机的低效率、以及特别是在低转速下作为转子的磁体和定子的磁性结构之间相互作用的结果被称为术语“嵌齿效应”的尤其是在低转数下的扭矩规则性问题。另外，除了需要额外的空间，由处理器控制的电压调节器的应用还必须涉及整个系统的高成本。

因而，需要通过降低(如果不是消除的话)这些已知系统中的问题和固有缺点，找到一种能够满足前述要求的新的解决方案。

发明内容

本发明的第一目的是，提供一种具有可配置励磁绕组连接的类型的磁发电机电压调节器，其采用相当简化的电子电路、并提供了消除采用处理器或逻辑控制单元的可能，因而降低了电压调节器和整个发电系统的总尺寸，并保持相对较低的成本。

本发明还有另一个目的是，提供用于充电电池的电压磁发电机和电压调节器的组件，从而在发电机的低和高转数都可向电池供应必须的电力，其特征在于扭矩的低变化，并且一旦电池的充电电压变化以及一旦电压发电机的转数或其相频率变化，能够自动控制励磁绕组的连接配置。

本发明的又一个目的是，提供一种磁发电机和电压调节器组件，能够自动改变励磁绕组的连接配置，因而使得与散热相关的问题不严重。

可通过根据权利要求1的具有可配置相绕组连接的磁发电机电压调节器，以及根据权利要求2的包括用于控制电池的充电电压的电子控制电路的电压调节器，来实现上述目的。

总地来讲，根据本发明的第一方面，提供了一种适合于从电压磁发电机接收交流电并向电池提供直流电的电压调节器，其中，所述电压发电机包括多个相绕组，每个相绕组具有第一和第二连接端子，而且其中，所述电压调节器设置成与电池的充电电压和/或相同电压调节器的频率有关地在第一和第二配置之间改变相绕组的连接；其特征在于包括：

多对半桥整流器，其中，每对半桥整流器包括在所述磁发电机的各自相绕组的相应端子和所述电池的电源端子之间相互反相连接的第一和第二半桥；

控制开关电路，用于改变所述相绕组的连接配置，所述控制电路包括多个开关器件，每个开关器件包括在环路中反并联连接的第一和第二电子开关，其中，两个相邻开关器件之间的连接点再连接到各自相绕组的端子；以及

引导电路，用于控制所述控制电路的开关器件，该引导电路包括连接到开关器件的控制电极的第一晶体管；并且

其中，该第一晶体管分别可操作地连接到用于测量电池电压的第一电压检测电路、电压发电机的绕组的第二相位频率检测电路；

所述频率检测电路设置成可操作地连接，以激励引导电路与由所述检测电路检测的相频率的预定阈值和/或电池电压有关地、有选择地改变磁发电机的励磁绕组的连接配置。

附图说明

根据本发明的电压调节器的这些和其他特征以及其中的优选实施例，将参考附图从下列说明中变得清楚，其中：

图1示出了电压调节器的电子电路的图；

图2示出了相位频率检测电路和用于控制用于改变相绕组的连接配置的开关电路的引导电路的详细电路图；

图3示出了对于相绕组的星形和三角形连接，每个半桥整流器的电流相对于电压发电机的转数的曲线；

图4示出了当发电机的转数低于电压频率的阈值时，电池电压相对于时间的曲线；

图5示出了当发电机的转数高于电压频率的阈值时，电池电压相对于时间的曲线；

图6示出了用于改变相绕组的配置连接的电路的电子开关的开-关过程的曲线。

具体实施方式

图1和图2表示了根据本发明的电子电压调节器的示意图，通过该电压调节器，对于将交流电转换为供给电池的直流电，可以自动控制电压磁发电机的相绕组的不同连接配置，同时，一旦发电机的转数变化，保持相同电池的电压在基本恒定的额定值。

对本说明书而言，要指出的是相同标号用于相同模块。

在图1和图2的例子中，电压调节器连接到交流电压磁发电机1，例如交流电压磁发电机1包括永磁体类型的三相交流发电机。电压发电机1包括转子2和具有三相绕组3A、3B、3C的定子，三相绕组的连接可与转子2的转数和由磁发电机1供电的电池5的充电电压VB有关地在星形和三角形配置之间自动改变。

电压调节器包括：多对半桥整流器4，每个半桥整流器4具有连接在电压发电机1的各自相绕组3A、3B、3C的端子、地、和电池5的第一电源供应端子(例如正极端子)之间的二极管D1、D2，如图所示。特别地，每个相绕组3A、3B、3C的端子通过由第一和第二半桥整流器4.1和4.2提供的成对半桥整流器连接到电池5的正极端子，所述第一和第二半桥整流器的相位彼此相反以在相电压的正和负半波交替地导通。

每个相绕组3A、3B、3C的两个端子之一(以下也称为第一端子)通过电子短路开关(包括例如晶闸管6)可接地，用于控制电池5的额定充电电压，如下面进一步解释的。

电压调节器1还包括控制开关电路，用于改变电压发电机的相绕组3A、3B、3C的连接配置；在图1的三相发电机的情况下，绕组配置的控制电路包括三个开关器件8，每个开关器件8由两个反并联连接的电子开关提供，例如包括成对的晶闸管T1和T2、T3和T4、T5和T6；每个电路中的开关器件8根据环形配置以这样的方式相互连接，使得两个相邻开关器件8的公共连接点P再连接到电压发电机1的各相绕组3A、3B、3C的第二端子。

电压调节器1还包括：相频率检测电路9，用于检测发电机的相电压的频率；以及引导电路10，用于控制开关器件8，详见图2所示。相频率检测电路9连接到电压发电机1的相绕组，如绕组3C，并且连接到由电路9激活的引导电路10，用于一旦超过相同频率的预定阈值，就检测出该电压频率，以在星形配置和三角形配置之间改变绕组3A、3B、3C的连接，如下面将进一步解释的。

从上文清楚的是，每个相绕组3A、3B、3C的第二端子(未连接到短路开关6的端子)连接到两个开关器件8用于改变绕组的配置；这意味着T1、T3和T5的阳极分别连接到T2、T4和T6的阴极，正如T2、T4和T6的阳极连接到T1、T3和T5的阴极。三对电子开关器件8因此以这样的方式设置：单对开关8以反并联方式连接在两个不同相绕组的第二端子之间。

从图1和图2还可看出，每个开关器件8的两个晶闸管T1和T2、T3和T4、T5和T6的控制电极通过各自电阻R10.1和R10.2由引导电路10的单个PNP晶体管Q4电流引导；取决于由电压发电机1施加的位于阴极和阴极之间的电压差，晶闸管T1-T6中的每个被切换到开，确定三个相绕组3A、3B、3C的星形连接。

属于同一个开关器件8的两个晶闸管T1和T2、T3和T4、T5和T6决不会同时导通，但会交替导通。

特别是，如图6所示并将进一步解释的，当Q4导通时，包括用于改变绕组配置的电路的晶闸管T1-T6的每个电子开关在相电压的半个周期保持切换到开，而单对的开关每1/6周期改变其状态。

如果相反地，Q4在未激活状态下，开关器件8的开关T1-T6不再被引导并切换到关；随之，三相绕组3A、3B、3C被彼此分离。但是，因为半桥4.1和4.2像电池5一样总是接地，这种状态相当于磁发电机1的相绕组的三角形连接。

引导电路10的晶体管Q4由两个NPN晶体管Q5和Q6通过分压电阻R11和R12控制，每个晶体管Q5和Q6具有分别连接在Q4的基极和电压调节器的接地端之间的集电极和发射极端子。如果两个晶体管Q5和Q6之一导通，那么Q4就切换到开；否则，如果两个晶体管Q5和Q6都切换到关，Q4也将切换到关。

基极连接到分压电阻R13和R14的引导电路10的晶体管Q5反过来被电路9引导，电路9用于检测电压发电机的一个相的电压频率；相反，另一个晶体管Q6通过分压电阻R22和R23被电路9引导，连接到用于检测和测量电池5的充电电压的电路7。

电路9在输入端接收电压发电机1的任意一个相，例如绕组3C的相的频率，通过分压电阻R15和R16(图2)，在相同相频率引起NPN晶体管Q7的开关，在负半波Q7被二极管D3保护。

它也同样开关NPN晶体管Q8，Q8的基极连接在电阻R17和Q7的集电极之间，恢复信号的正确定时。

随之，从电阻R18流向电容C2的电流以相当于电压发电机的相3C的频率的频率被Q8短路到地，因而在Q8的集电极上产生电压方波，该电压方波通过电容C2使得二极管D4和D5放电由电池电压通过电阻R19供电的电容C3。

只要电阻R19保持C3上的电压高于NPN晶体管Q9的基极和发射极之间的电压Vbe-on，那么晶体管Q9导通，并且随着连接到Q10的基极的分压电阻R20和R21使Q10切换到开，Q10再使Q5导通。

所有这些的最终结果是，电路9可使得或不使得Q5在电压发电机相频率的给定阈值导通，一旦超过该阈值，将发生从相绕组3A、3B、3C之间的星形到三角形连接、或从三角形到星形连接的切换。

通过以下列方式来选择R19而获得Q5进入导通或阻断的频率阈值：在电容C3的端子处存在低于Q9的Vbe-on的电压。

相反地，如之前提到的，NPN晶体管Q6通过电阻R22和R23以及齐纳二极管Z3被用于测量电池5的充电电压的电路7引导。电压测量电路7包括NPN晶体管Q1，Q1的集电极和发射极分别通过电阻R3连接到电池5以及连接到齐纳二极管Z3；Q1的基极也被通过齐纳二极管Z1接地的分压电阻R1和R2偏压。

当存在于并联电路上的电压超过由齐纳二极管Z3施加的电压值时，电流流过分压电阻R22和R23并随之Q6进入导通，Q4切换到开，其中的并联电路包括从电池5的电压测量电路7分支出的电容C1和电阻R4。

如之前提到的，每个相绕组3A、3B、3C的两个端子之一连接到电子开关6，例如阴极接地的并联晶闸管的阳极，电子开关6的功能是当由电路7所检测的电池5的电压超过预定额定值VN时，使各自相绕组短路到地。

电池5一达到值VR，发电机的电流就短路到地。这由每个相绕组的短路开关6来完成，开关6的控制电极连接到NPN晶体管Q3的集电极，Q3的发射极连接到各自相绕组，形成了部分控制电路11，用于控制绕组短路电子开关6的开关状态。

Q3的基极被连接到NPN晶体管Q2的集电极/发射极电路的分压电阻R7和R8偏压，Q2的集电极连接到地，形成了部分的主要控制电路12，用于激活/去激活绕组短路控制电路11。

Q2的基极被通过齐纳二极管Z2连接到用于检测和测量电池5的电压的电路7的分压电阻R5和R6偏压。

从上文明显看出，只要电池5的电压VB低于齐纳二极管Z1的电压值，电流就不在分压电阻R1和R2上流过，因此晶体管Q1保持不激活。如果相反，电池的电压VB超过预定值VR，则Q1切换到开进入导通，通过电阻R3供应正比于电池电压的集电极电流。并联电路R4、C4上的电压将线性增加直至它超过齐纳二极管Z2的电压。只要这一发生，由于分压电阻R5和R6，晶体管Q2就变成被偏压为导通；通过这种方式，各个电路11的晶体管Q3也变成被各自的电阻R7和R8偏压。因此，电流将在能够接通各自的短路开关6的电阻R9上流过，短路开关6将电压磁发电机1的三相绕组3A、3B、3C的各自一个绕组接地。随之，将导致电池电压VB被限于决不超过额定值VR的值。

当电压发电机的转数高于预定阈值PPM’时，相绕组3A、3B、3C具有三角形配置；电池5一达到额定值，发电机的电流就切换到地。如前提到的，这引起电压发电机1和短路开关6到地的更大功耗；因此必须将这种电流降低到最小。为此，建议选择Z3的电压值稍低于Z2的电压值，一般在0.6伏，以便确保从三角形到星形配置的改变恰好在调整之前，这样该调整就可以小得多的电流发生。

图3示出了在星形连接的情况下以及在三角形连接的情况下，电池电流I根据电压发电机1的转子2的每分钟转数RPM变化的两个典型曲线。特别是，曲线ST示出了星形连接情况下的电流I，而曲线TR则示出了三角形连接情况下的电流I。可以看出，在低转数：低于阈值RPM’，当相绕组被三角形连接TR时，电流I比星形连接ST呈现更低的值；相反的情况发生在高于RPM’的转数。

图3也示出了与对应于阈值RPM’的转数相关的点P1，在该点，电压发电机1供应电流I’以便向电池5定量地供能，而与相绕组的连接类型无关；点P因此是在三角形和星形配置之间发生改变的时间，反之亦然。

图4示出了在转子2的转数RPM低于图3的RPM’的情况下，电池5的电压VB相对于时间的曲线；而图5示出了在转数RPM高于RPM’的情况下，电压VB相对于时间的曲线。

特别是，从图4可见，每次标称电压VN被超过时，曲线的斜率基本上是恒定上升至额定值VR；相反地，从图5可见，每次标称电压VN被超过时，曲线的斜率改变并降低。

最后，图6示出了一个过程，通过该过程，允许电压发电机1的相绕组3A、3B、3C的选择性星形和三角形连接的电子开关T1-T6被电压调节器引导到导通(开)或阻断(关)。

特别是，从图6可见，对于电压磁发电机1的三相A、B、和C的每一个的每半个周期HP，只有用于改变连接配置的每个切换电路8中的晶闸管T1-T6之一导通(开)；同时，在同一个图6中还可以注意到，还是在三相发电机的情况下，每1/6周期P/6，单对晶闸管T1-T6改变状态。

图1和图2的电压调节器的操作方法简要描述于下。

总得来说，在本发明的各种可能的应用中，需要在磁发电机1的低和高转速都有足够量的电能或电流可用于保持电池5在固定的充电电压VB，而不管与之连接的电负载所需的电流。

如前面提到的，发电机1的三相绕组3A、3B、3C的每一个的端子通过一对半桥整流器4.1和4.2连接到电池5的正端子，并可有选择地通过由电子控制电路11控制的短路开关6连接到地。

为了改变相绕组的连接配置，从星形到三角形或相反，如前面提到的，电压调节器包括三个开关器件8，每个开关器件8包括各自的阳极和阴极相互反并联连接并且连接到两个不同相绕组的不可短路到地的端子的第一和第二晶闸管T；三个开关器件8的晶闸管T的控制电极被电子电路9和10独立引导，电路9和10进行发电机1的一个相的电压频率(例如相绕组3C的频率)的测量和连接配置的改变。

因为在相频率和转子2的每分钟转数(RPM)之间存在比例关系，据此，每分钟转数相当于电频率和转子极对的数量(固定)之间的比率，所以相频率的测量将导致相应于磁发电机1的转数RPM的测量。

如前参考图3指出的，还已知的是，在电压磁发电机的低转数，如果相绕组是星形连接的话，则供给电池5的电流I比三角形连接更大；对于高转数情况相反。

因此，转子2一开始转动，电子测量电路9和控制电路10就使三个开关器件8导通，导致相绕组3A、3B、和3C的星形连接。该操作过程保持，直至发电机1达到预定值(称为阈值RPM’)的转数，对应于图3的点P，在该点，由发电机供给的电流I’的值与相绕组的星形连接或三角形连接无关。

在这些情况下，用于测量转速和控制开关器件8的电路9和10不再引导晶闸管T，晶闸管T的电流一降低到零就切换到关；相绕组因此成为三角形连接并根据转数RPM的增加保持这样，以满足电能的更大需求。

然而，在相绕组的这些连接方式中，电池额定值VR一被超过，用于短路到地的相绕组的开关6就被激活；另外，为了减少流入发电机的相绕组和开关器件8中的电流，当相绕组被三角形连接时开关6不进入导通，而仅在控制电路10迫使星形连接之后才进入导通。

因此，也是在电压发电机的高转数下，接近于电池电压的额定值VR，建议降低用于短路到地的电流，回到星形连接并随后立即激活短路开关6。

从已经描述并示于附图的内容显而易见的是，提供了一种用于永磁体发电机的电压调节器，具有在两种不同条件下可有选择配置的绕组连接，使得供应保持用于充电电池的电压VB恒定所需的最大电流，而不管对于电源的要求，从而一旦达到电池调节电压VR，防止过量电流流入电压发电机1的相绕组和用于改变连接配置的开关器件8。

应该理解的是，参考各种附图已经描述的内容是为了解释本发明和优选实施例的总的特性而提出的。因此，只要不超出权利要求书的范围，可以做出其他改进或变化，如对于任何多相永磁发电机的类似或等同电压调节器的应用。

标号列表：

1、磁发电机

2、转子

3、相绕组

4、半桥整流器

5、电池

6、短路开关

7、电池电压测量电路

8、绕组配置切换器件

9、频率检测电路

10、引导电路

11、短路控制电路

12、主控电路

Claims (8)

1.一种电压调节器，适合于将电压磁发电机(1)的交流电改变为供给电池(5)的直流电，其中，所述电压磁发电机(1)包括：转子(2)和多个相绕组(3A、3B、3C)，每个所述相绕组具有第一和第二连接端子，并且其中，所述电压调节器设置为与所述电池(5)的额定电压(VR)和所述电压磁发电机(1)的电压频率有关地在第一和第二配置之间改变所述相绕组(3A、3B、3C)的连接；

其特征在于，包括：

第一和第二半桥整流器(4.1、4.2)，相互反相连接在所述电压磁发电机(1)的各自相绕组(3A、3B、3C)的相应端子和所述电池(5)之间；

绕组配置控制电路，用于改变所述相绕组(3A、3B、3C)的连接，所述绕组配置控制电路包括多个开关器件(8)，每个所述开关器件(8)包括在环路中反并联连接的第一和第二电子开关(T1、T2)，其中，两个相邻开关器件(8)之间的连接点(P)再连接到各自相绕组(3A、3B、3C)的一个端子；

所述绕组配置控制电路的引导电路(10)，所述引导电路(10)连接到所述开关器件(8)的所述第一和第二电子开关(T1、T2)的控制电极，所述引导电路(10)分别可操作地连接到所述电池的电压测量电路和相频率检测电路；

所述相频率检测电路设置成在由所述相频率检测电路(9)所检测的电压频率的预定阈值，激活所述引导电路(10)并有选择地改变所述相绕组(3A、3B、3C)的连接配置。

2.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，包括：

每个相绕组(3A、3B、3C)和所述电压调节器的地之间的电子短路开关(6)；

短路控制电路(11)，每个所述短路控制电路(11)连接到各自短路开关(6)的控制电极；以及

主控电路(12)，可操作地连接在所述短路控制电路(11)和电压测量电路之间，用于一旦超过电池电压的额定值，就将所述电压磁发电机(1)的相绕组(3A、3B、3C)短路到地。

3.如权利要求1所述的电压调节器，适合于具有第一、第二、第三相绕组(3A、3B、3C)的电压磁发电机(1)，其特征在于，所述开关器件(8)相互连接并连接到所述相绕组(3A、3B、3C)，以便在相同相绕组(3A、3B、3C)的星形和三角形配置之间进行改变。

4.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，每个相绕组(3A、3B、3C)的第一端子通过各自的短路开关(6)接地，并且还在于，每个相绕组(3A、3B、3C)的另一端子连接到所述开关器件(8)之间的连接点(P)。

5.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，所述引导电路(10)可操作地连接到所述电压磁发电机(1)的电压频率检测电路。

6.如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于，每个所述开关器件(8)包括反并联连接的第一和第二晶闸管(T)。

7.如权利要求2所述的电压调节器，其特征在于，所述主控电路(12)和所述引导电路(10)通过各自的齐纳二极管(22、23)连接到所述电压测量电路(7)。

8.如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于，所述引导电路(10)的所述齐纳二极管(23)的电压值低于所述主控电路(12)的齐纳二极管(22)的电压值。

Images