CN101741160A

CN101741160A - 高功率密度汽车交流发电机

Info

Publication number: CN101741160A
Application number: CN200810175355A
Authority: CN
Inventors: 陈国弟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2010-06-16

Abstract

一种高功率密度汽车交流发电机，可应用于汽车、拖拉机、坦克等，主要由皮带轮、前端盖、轴承、定子、励磁转子、后端盖、调节器、触发控制器、三相半控桥式整流器、三相桥式整流器和后罩盖组成，其特征在于：高匝数定子绕组L1和低匝数绕组L2所具有的外特性曲线相交于K点，K点对应的转速为n_k；触发控制器以n_k为分界点，对单向可控硅的工作状态作如下控制：当发电机的工作转速在n_K以下时，触发控制器依次触发导通SCR1～SCR3当中过自然换向点以后正向电压最高的那颗可控硅；当发电机的工作转速达到n_K以上时，触发控制器使单向可控硅SCR1～SCR3处于关断状态。本技术发明的高功率密度汽车交流发电机具有发电效率高、功率密度大的优点。

Description

高功率密度汽车交流发电机

技术领域

本技术发明涉及汽车交流发电机。

背景技术

众所周知，汽车交流发电机的工作转速范围非常宽，汽车交流发电机的零电流转速一般在1000r/min左右，国家标准《QC/T729-2005汽车用交流发电机技术条件》规定：交流发电机的额定转速为6000r/min，12V系统的汽车交流发电机最大工作转速为15000r/min，24V系统的汽车交流发电机最大工作转速为12000r/min；也就是说12V系统的汽车交流发电机工作转速范围是1000r/min～15000r/min，24V系统的汽车交流发电机的工作转速范围是1000r/min～12000r/min。零电流转速是汽车交流发电机必须满足的重要的技术指标，所以定子绕组的匝数是以满足发电机零电流转速的要求来确定的，由于发电机定子绕组的阻抗随发电机的转速升高而增加，在接近额定转速以上时，其值较大，产生较大的内压降，另外，定子电流增加时，由于电枢反应的增强，也会使感应电动势下降，两者共同作用的结果：当发电机的转速升高且负载电流达到最大值时，输出电流几乎不随负载电阻的减小或转速的增加而增大，此时发电机的电流输出能力受到限制，效率明显降低。现有的汽车交流发电机只有一套定子绕组，无法兼顾发电机在如此宽的工作转速范围都能拥有较高的性能指标，而零电流转速的性能指标是必须要满足的，这就使发电机在中高速范围无法发挥应有的电流输出能力，所以功率密度不大。

近年有人提出在汽车交流发电机内设置两套整流电路，让发电机在低速范围时是高匝数绕组工作而在高速范围转换成低匝数绕组来工作的技术方案，也有人提出了根据发电机工作转速的变化对定子绕组进行星形(Y形)——三角形(△形)连接转换的办法。但目前已知的几种定子绕组高——低匝数转换或星形——三角形连接转换的技术方案都存在弊端，未能得到大量推广使用。如中国专利公开号CN2115683U，申请号92201281.4，公开日1992年9月9日，发明创造名称为“阻值变换交流发电机”的申请案，公开了一种采用延边△形与双△形变换的技术方案，该方案虽然可以实现既满足零电流转速的要求，又提高发电机功率密度的目的，但存在结构复杂，使用整流元件过多，转换功能靠继电器触点的分断吸合来实现导致响应速度慢、工作可靠性差等不足；中国专利公开号CN2238503Y，专利号95224578.7，公开日1996年10月23日，发明创造名称为“汽车变整流交流发电机”的申请案，公开了一种采用继电器分断吸合来进行定子绕组Y形与△形变换的技术方案，该方案的绕组产生的大电流要通过继电器的触点，继电器的体积大、质量重，不利于汽车交流发电机的小型化设计，而且，由于汽车交流发电机长期在强烈的振动工况下工作，继电器的工作可靠性低，因此，这两种技术方案都难以付诸实用。

发明内容

本技术发明的目的是克服现有汽车交流发电机只有一套定子绕组导致发电机功率密度低的不足，提出一种结构简单、工作可靠、成本低、容易进行大批量生产的高功率密度汽车交流发电机。

本技术发明的目的是这样实现的：一种高功率密度汽车交流发电机，主要由皮带轮、前端盖、轴承、定子、励磁转子、后端盖、调节器、触发控制器、三相半控桥式整流器、三相桥式整流器和后罩盖组成。在定子中布置有两套三相绕组L1和L2，绕组L1是高匝数绕组，它的匝数根据用户对发电机低速充电性能的要求来确定，它的输出特性(电流——转速特性)对应附图1的曲线I，L2是低匝数绕组，它的匝数根据用户对发电机高速电流输出能力的要求来确定，它的输出特性对应于附图1的曲线II；定子中的两套绕组也可以是L1和L2的匝数相同但L1为星形连接L2为三角形连接的三相绕组，这时绕组的匝数是以L1满足用户对发电机低速充电性能的要求来确定；绕组L1和L2所具有的外特性曲线相交于K点，K点对应的转速为n_k；整流二极管VD1～VD3和单相可控硅SCR1～SCR3构成三相半控桥式整流器Q1，Q1可以是整流二极管为共阴极连接而单向可控硅为共阳极连接的结构形式，也可以是整流二极管为共阳极连接而单向可控硅为共阴极连接的结构形式；整流二极管VD4～VD6和整流二极管VD7～VD9构成三相桥式整流器Q2，三相半控桥式整流器Q1和Q2并联连接，定子绕组L1与三相半控桥式整流器Q1连接，定子绕组L2与三相桥式整流器Q2连接；触发控制器中设有发电机转速采样电路和触发控制电路，触发控制器的“正极”端接发电机输出正极B+，触发控制器的“负极”端接发电机的负极，触发控制器的“转速采样”端子接发电机转速采样信号输出端，触发控制器的“触发控制”端子分别与单向可控硅SCR1～SCR3的控制极连接；触发控制器通过采集发电机的转速信号，以n_k为分界点，对单向可控硅的工作状态作如下控制：当发电机的工作转速在n_K以下时，触发控制器给单向可控硅SCR1～SCR3提供触发电流，依次触发导通SCR1～SCR3当中过自然换向点以后正向电压最高的那颗可控硅，此时绕组L2产生的感应电压低，无电流输出，发电机实际上是以绕组L1为工作绕组、经三相半控桥式整流器Q1整流的汽车硅整流发电机，其输出特性对应于附图1曲线I中K点以下部分；当发电机的工作转速达到n_K以上时，触发控制器使单向可控硅SCR1～SCR3处于关断状态，此时绕组L1无电流输出，发电机实际上是以绕组L2为工作绕组、经三相桥式整流器Q2整流的汽车硅整流发电机，其输出特性对应于附图1曲线II中K点以上部分，因此，发电机总的输出特性就是附图1曲线I中n₀到K点部分和附图1曲线II中K点以上部分的叠加，即附图2所示的高功率密度汽车交流发电机输出特性曲线。由于发电机在中高速范围工作时是以匝数较低的L2为工作绕组，阻抗小，发电机有大的电流输出能力和较高的发电效率，与现有同功率的汽车交流发电机相比，体积小，功率密高。

本技术发明产生的有益效果是：

1.由于两套定子绕组的匝数分别是针对发电机高、低速特性的要求来确定的，既兼顾了用户对发电机低速充电性能的要求，又使发电机在中高速范围工作时有大的电流输出能力。

2.机-电转换效率高，用本技术发明的高功率密度汽车交流发电机来替代现有汽车交流发电机，可节约大量的汽车燃油，产生显著的经济效益和社会效益。

3.由于效率的提高，轴承和皮带轮的负荷减轻，使用寿命长。

4.本技术发明的高功率密度汽车交流发电机应用于教练车、叉车和城市公交车等长期低速运行的车辆，可以保证发电机在极低速时有好的充电性能，在中高速时有大的电流输出能力，使蓄电池长期保持充满的状态，从而有很长的使用寿命。

附图说明

附图1是高匝数绕组(或星形绕组)与低匝数绕组(或三角形绕组)的汽车交流发电机的外特性曲线对比图。

附图2是高功率密度汽车交流发电机外特性曲线图。

附图3是高功率密度汽车交流发电机结构图。

附图4是高功率密度汽车交流发电机第1实施例的电气原理图。

附图5是高功率密度汽车交流发电机第2实施例的电气原理图。

附图6是高功率密度汽车交流发电机第3实施例的电气原理图。

附图7是高功率密度汽车交流发电机第4实施例的电气原理图。

附图1和附图2中：曲线I是高匝数绕组(或星形绕组)的汽车交流发电机的外特性曲线，曲线II是低匝数绕组(或三角形绕组)的汽车交流发电机的外特性曲线，K是曲线I和曲线II的交点，K点对应的转速是n_k。

附图3中：1.发电机后罩盖，2.三相半控桥式整流器，3.调节器、4.触发控制器，5.三相桥式整流器，6.轴承，7.后端盖，8.定子，9.励磁转子，10.前端盖，11.皮带轮。

附图4和附图6中：L1是高匝数三相定子绕组，L2是低匝数三相定子绕组，L3是励磁转子的励磁绕组，SW是汽车的点火开关，由整流二极管VD1～VD3和单相可控硅SCR1～SCR3组成三相半控桥式整流器Q1，由整流二极管VD4～VD6和整流二极管VD7～VD9组成三相桥式整流器Q2，B+是发电机正极输出端子。

附图5和附图7中：L1和L2是匝数相同的三相定子绕组，L1是星形连接，L2是三角形连接，L3是励磁转子的励磁绕组，SW是汽车的点火开关，由整流二极管VD1～VD3和单相可控硅SCR1～SCR3组成三相半控桥式整流器Q1，由整流二极管VD4～VD6和整流二极管VD7～VD9组成三相桥式整流器Q2，B+是发电机正极输出端子。

具体实施方式

附图4～附图7给出了附图3所示结构的高功率密度汽车交流发电机的4种具体实施例的电原理图。

下面结合附图详细说明本技术发明的高功率密度汽车交流发电机的具体实施方式：

实施例1：

附图4是附图3所示结构的高功率密度汽车交流发电机第1实施例的电气原理图，其中：调节器3的结构和工作原理与现有汽车交流发电机的调节器相同，它通过采集发电机输出的直流电压，根据发电机工作转速和负载的变化自动调节励磁绕组L3的励磁电流，使发电机输出电压保持稳定；绕组L1是高匝数绕组，它的匝数根据用户对发电机低速充电性能的要求来确定，它的输出特性(电流——转速特性)对应附图1的曲线I，L2是低匝数绕组，它的匝数根据用户对发电机高速电流输出能力的要求来确定，它的输出特性对应于附图1的曲线II，绕组L1和L2所具有的外特性曲线相交于K点，K点对应的转速为n_k；共阴极连接的整流二极管VD1～VD3和共阳极连接的单相可控硅SCR1～SCR3构成三相半控桥式整流器Q1，共阴极连接的整流二极管VD4～VD6和共阳极连接的整流二极管VD7～VD9构成三相桥式整流器Q2，三相半控桥式整流器Q1和三相桥式整流器Q2并联连接，定子绕组L1与三相半控桥式整流器Q1连接，定子绕组L2与三相桥式整流器Q2连接；触发控制器的“正极”端接发电机输出正极B+，触发控制器的“负极”端接发电机的负极，触发控制器的“触发控制”端子分别与单向可控硅SCR1～SCR3的控制极连接，触发控制器采集发电机三相绕组L1中的一相的电频率信号作为发电机转速信号，以转速n_k时该相绕组产生的电频率为基准频率，将实测频率与基准频率进行比较，也实际上就实现了发电机工作转速与转速n_K之间的比较，当发电机的工作转速在n_K以下时，触发控制器给单向可控硅SCR1～SCR3提供触发电流，依次触发导通SCR1～SCR3当中过自然换向点后正向电压最高的那颗可控硅，此时绕组L2产生的感应电压低，无电流输出，发电机实际上是以绕组L1为工作绕组，经三相半控桥式整流器Q1整流的汽车硅整流发电机，其输出特性对应于附图1曲线I中K点以下部分；当发电机的工作转速达到n_K以上时，触发控制器使可控硅SCR1～SCR3处于关断状态，此时绕组L1无电流输出，发电机实际上是以绕组L2为工作绕组，经三相桥式整流器Q2整流的汽车硅整流发电机，其输出特性对应于附图1曲线II中K点以上部分，因此，发电机总的输出特性就是附图1曲线I中n₀到K点部分和附图1曲线II中K点以上部分的叠加，即附图2所示的高功率密度汽车交流发电机输出特性曲线，从而实现了根据发电机工作转速范围的变化自动进行高匝数绕组工作和低匝数绕组工作的切换，既满足了用户对发电机低速充电性能的要求，又使发电机在中高速范围有大的电流输出能力，极大的提高了发电机的功率密度。

实施例2：

附图5是附图3所示结构的高功率密度汽车交流发电机第2实施例的电气原理图，其中：调节器3的结构和工作原理与现有汽车交流发电机的调节器相同，它通过采集发电机输出的直流电压，根据发电机工作转速和负载的变化自动调节励磁绕组L3的励磁电流，使发电机输出电压保持稳定；定子中的两套绕组L1和L2的匝数相同，L1为星形连接，L2为三角形连接，两套绕组的匝数以L1满足用户对发电机低速充电性能的要求来确定；绕组L1和L2所具有的外特性曲线相交于K点，K点对应的转速为n_k；共阴极连接的整流二极管VD1～VD3和共阳极连接的单相可控硅SCR1～SCR3构成三相半控桥式整流器Q1，共阴极连接的整流二极管VD4～VD6和共阳极连接的整流二极管VD7～VD9构成三相桥式整流器Q2，三相半控桥式整流器Q1和三相桥式整流器Q2并联连接，定子绕组L1与三相半控桥式整流器Q1连接，定子绕组L2与三相桥式整流器Q2连接；触发控制器的“正极”端接发电机输出正极B+，触发控制器的“负极”端接发电机的负极，触发控制器的“触发控制”端子分别与单向可控硅SCR1～SCR3的控制极连接，触发控制器采集发电机三相绕组L1中的一相的电频率信号作为发电机转速信号，以转速n_k时该相绕组产生的电频率为基准频率，将实测频率与基准频率进行比较，也实际上就实现了发电机工作转速与转速n_K之间的比较，当发电机的工作转速在n_K以下时，触发控制器给单向可控硅SCR1～SCR3提供触发电流，依次触发导通SCR1～SCR3当中过自然换向点后正向电压最高的那颗可控硅，此时绕组L2的感应电压低，无电流输出，发电机实际上是以绕组L1为工作绕组，经三相半控桥式整流器Q1整流的汽车硅整流发电机，其输出特性对应于附图1曲线I中K点以下部分；当发电机的工作转速达到n_K以上时，触发控制器使可控硅SCR1～SCR3处于关断状态，此时绕组L1无电流输出，发电机实际上是以绕组L2为工作绕组，经三相桥式整流器Q2整流的汽车硅整流发电机，其输出特性对应于附图1曲线II中K点以上部分，因此，发电机总的输出特性就是附图1曲线I中n₀到K点部分和附图1曲线II中K点以上部分的叠加，即附图2所示的高功率密度汽车交流发电机输出特性曲线，从而实现了根据发电机工作转速范围的变化自动进行星形绕组工作和三角形绕组工作的切换。

附图6是实施例3的电原理图，它的整流二极管VD1～VD3是共阳极连接，可控硅SCR1～SCR3是共阴极连接，调节器是带D+接线端的结构形式，其工作原理与现有相同结构的汽车交流发电机调节器相同，触发控制器工作原理和产生的效果与实施例1相同。

附图7是实施例4的电原理图，它的整流二极管VD1～VD3是共阳极连接，可控硅SCR1～SCR3是共阴极连接，调节器是带D+接线端的结构形式，其工作原理与现有相同结构的汽车交流发电机调节器相同，触发控制器工作原理和产生的效果与实施例2相同。

Claims

1.一种高功率密度汽车交流发电机，主要由皮带轮、前端盖、轴承、定子、励磁转子、后端盖、调节器、触发控制器、三相半控桥式整流器、三相桥式整流器和后罩盖组成，其特征在于：在定子中布置有两套匝数不同或匝数相同但分别是星形连接和三角形连接的三相绕组L1和L2，绕组L1和L2所具有的外特性曲线相交于K点，K点对应的转速为n_k；整流二极管VD1～VD3和单相可控硅SCR1～SCR3构成三相半控桥式整流器Q1，整流二极管VD4～VD6和整流二极管VD7～VD9构成三相桥式整流器Q2，三相半控桥式整流器Q1和三相桥式整流器Q2并联连接；定子绕组L1与三相半控桥式整流器Q1连接，定子绕组L2与三相桥式整流器Q2连接；触发控制器中设有发电机转速采样电路和触发控制电路，触发控制器的“正极”端接发电机输出正极B+，触发控制器的“负极”端接发电机的负极，触发控制器的“转速采样”端子接发电机转速采样信号输出端，触发控制器的“触发控制”端子分别与单向可控硅SCR1～SCR3的控制极连接；触发控制器通过采集发电机的转速信号，以n_k为分界点，对单向可控硅的工作状态作如下控制：当发电机的工作转速在n_K以下时，触发控制器给单向可控硅SCR1～SCR3提供触发电流，依次触发导通SCR1～SCR3当中过自然换向点以后正向电压最高的那颗可控硅；当发电机的工作转速达到n_K以上时，触发控制器使单向可控硅SCR1～SCR3处于关断状态。

2.根据权利要求1所述的高功率密度汽车交流发电机，其特征在于：绕组L1是高匝数绕组，它的匝数根据用户对发电机低速充电性能的要求来确定，L2是低匝数绕组，它的匝数根据用户对发电机高速电流输出能力的要求来确定。

3.根据权利要求1所述的高功率密度汽车交流发电机，其特征在于：定子中的两套绕组是L1和L2的匝数相同但L1为星形连接L2为三角形连接的三相绕组，绕组的匝数以L1满足用户对发电机低速充电性能的要求来确定。

4.根据权利要求1所述的高功率密度汽车交流发电机，其特征在于：三相半控桥式整流器Q1是由三只共阴极连接的整流二极管VD1～VD3与三只共阳极连接的单向可控硅SCR1～SCR3构成。

5.根据权利要求1所述的高功率密度汽车交流发电机，其特征在于：三相半控桥式整流器Q1是由三只共阳极连接的整流二极管VD1～VD3与三只共阴极连接的单向可控硅SCR1～SCR3构成。