CN102611267A - 永磁体发电机中的通量抵消 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及永磁体发电机中的通量抵消，具体地，一种永磁体发电机包括初级绕组、次级绕组、永磁体、用于连接到外部负载的输出端子以及具有两个模式的开关机构。在开关机构的第一模式中，初级绕组被连接在中性点和输出端子之间，并且来自永磁体的变化磁通量在输出端子处感生出非零电压。在第二模式中，次级绕组提供用于初级绕组的至中性点的返回路径，由此在输出端子处提供可忽略的电压和电流并且基本上抵消来自永磁体的磁通量的变化。

Description

永磁体发电机中的通量抵消
技术领域
本发明一般地涉及永磁体发电机，并且更具体地涉及用于去激励永磁体发电机的方法和设备。
背景技术
电磁发电机通过由机械运动产生变化的磁通量而将机械能转换为电力。根据法拉第定律，通过导线绕组的磁通量的变化在这些绕组中感生出电压，从而产生可输送的电能。永磁体发电机（PMG）或者用永磁体转子或者用永磁体定子产生了通过发电机绕组的变化的通量。具有永磁体转子的发电机驱动旋转的永磁体转子以产生在固定的定子绕组位置处变化的磁场。具有永磁体定子的发电机使用静止的磁体以产生磁场，转子绕组穿过该磁场行进，以便产生相同的最终效果。为了简明起见，下面将假设PMG使用永磁体转子，不过本领域技术人员将会理解发电机也可类似地构造为具有静止的磁体和旋转的绕组。
在一些情况中，为了操作员的安全或者为了防止发电机部件的损坏，有必要快速地去激励发电机。在发电机绕组之间存在短路的同时操作经激励的发电机例如会导致发电机线路的电阻性烧毁。当检测到这种有害的故障时，通常希望发电机快速地且自动地去激励以避免进一步的损坏。还有必要去激励发电机以避免危险的高压。用场绕组而非永磁体来产生通量的发电机能够通过切断至场绕组的电流而快速地去激励。PMG尽管出于多种原因是所期望的，但是却更加难以快速地去激励。只要永磁体转子继续旋转，它们通常就会在定子绕组中感生出电流。旋转的磁体产生由右手规则决定的变化磁通量。每当通过定子绕组的净通量变化，这感生出趋向于抵抗通量变化的电流。结果，只要永磁体转子转动，PMG通常就将继续产生电压。
已经发展出多种技术来去激励PMG。可通过机械地停止转子运动来去激励PMG，但是该方法缓慢并且通常需要将发电机驱动轴从其机械功率源脱开。作为更快速的替代方式，一些系统包括附接到外部功率源的专用定子绕组。当需要快速的通量抵消时，这些系统迫使电流通过专用定子绕组以产生补偿磁通量，抵消由旋转永磁体产生的通量变化。另一个系统（US 7,777,384）提供了传导分流器，其将通量引导离开定子绕组，由此防止在定子绕组上感生出电流。在正常操作期间，这些分流器是饱和的，并且通量如平常一样经过定子绕组。在故障条件中，可通过停止饱和来打开分流器，以去激励定子绕组。第三个系统（US 7,443,070）类似地使用分流器来引导通量离开定子绕组，不过在正常发电机操作期间机械地断开这些分流器。
PMG优选地能够快速地去激励而不牺牲正常的操作性功率。如上所述，用于去激励PMG的现有机构添加了显著的体积或复杂性。非常需要更简单的、更小的机构。
发明内容
本发明涉及永磁体发电机，其具有初级绕组、次级绕组、永磁体、用于连接到外部负载的输出端子以及具有两个模式的开关机构。在开关机构的第一模式中，初级绕组被连接在中性点和输出端子之间，并且来自永磁体的变化磁通量在输出端子处感生出非零电流和电压。在第二模式中，次级绕组提供用于初级绕组的至中性点的返回路径，由此在输出端子处提供可忽略的电压或电流并且基本上抵消来自永磁体的磁通量的变化。
附图说明
图1是永磁体发电机的一部分的透视图。
图2是图1的永磁体发电机的剖视图，示出了永磁体转子和具有定子绕组的定子。
图3A是图1的转子和定子的一相的示意图。
图3B是图3A的定子构造的简化示意图。
图4A是替代的定子构造的简化示意图。
图4B是图4A的定子构造的正常操作模式的简化示意图。
图4C是图4A的定子构造的抵消模式的简化示意图。
具体实施方式
图1是永磁体发电机10的透视图，包括驱动轴12、转子14（具有永磁体20）、定子16（具有定子线圈22）以及空气隙18。驱动轴12通过能量源（未示出）是可旋转的，该能量源例如是车辆驱动系统的旋转运动、风、水或其它原动机。驱动轴12使转子14转动，转子14包含圆柱形布置的永磁体20。定子16围绕转子14并且包含多个定子线圈22，每个定子线圈22具有多个绕组。定子线圈22是环圈导线的密集线圈。转子14通过空气隙18与定子16分开，空气隙18是狭窄的开放空间。本领域技术人员将会理解的是，虽然本说明书聚焦于具有永磁体转子的发电机，但是本发明也可类似地构造为具有永磁体定子和多个转子线圈。
图2是从图1沿剖面线2-2的永磁体发电机10的剖面。图2示出了发电机10，其包括驱动轴12、转子14（具有永磁体20）、定子16（具有定子线圈22）以及空气隙18。永磁体20锚定到转子14，并且定子线圈22锚定到定子16。来自永磁体20的磁场跨过空气隙18并且通过定子线圈22，具有磁通量Φpm（图2未示出，参见图3）。当驱动轴12使转子14旋转时，永磁体20的运动导致Φpm变化，从而导致在定子线圈22上产生电压。Φpm的变化产生了以电压表示的电动势ε，其由法拉第定律描述：
[1]          ε =                                                
Figure 2012100170696100002DEST_PATH_IMAGE001
  （其中，N是定子绕组22中的匝数）
电动势ε在定子线圈22中感生出电流Istator，其可被耦合到外部负载以供应功率。
图3A是永磁体发电机10的示意图，示出了本发明定子线圈构造。图3A示出了转子14（具有永磁体20）、定子16（具有定子线圈22）、磁通量Φpm、磁通量Φc、开关接触件S、开关控制器24、中性点（neutral）N以及具有输出电压V的输出端子Tout。定子线圈22包括初级绕组22a（具有电流Ipri）和次级绕组22b（具有电流Isec）。
定子线圈22中的每组初级绕组22a均唯一地与一组次级绕组22b配对。初级绕组22a和次级绕组22b具有相同的匝数。初级绕组22a从中性柱N延伸到输出端子Tout，而次级绕组22b和开关接触器S形成了中性柱N和输出端子Tout之间的抵消电路。如图3A和3B所示，次级绕组22b从开关接触器S延伸到中性柱N。替代地，开关接触器S可位于次级绕组22b和中性柱N之间，并且次级绕组22b可在输出端子Tout和开关接触器S之间延伸。
当转子14转动时，永磁体20的运动产生了通过初级绕组22a和次级绕组22b的磁通量Φpm，如上所述。所感生的通过初级绕组22a的电流是Ipri，并所感生的通过次级绕组22b的电流是Isec。Ipri和Isec一起构成了Istator（Istator=Ipri+Isec）。在图3A和3B的电路构造的正常操作期间，Isec=0并且Istator=Ipri。
开关接触器S的打开和闭合受开关控制器24控制。开关接触器S在正常发电机操作期间打开，并且断开次级绕组22b，从而Isec为零。在该状态中，电流Ipri被供应到输出端子Tout。只要转子14继续转动，输出端子Tout处的电压V为非零值。根据楞次定律，电流Ipri趋向于抵抗通量Φpm的变化（Isec也是如此，如果存在的话），从而产生补偿通量Φc。由于负载电流限制，Φc的变化将总是小于Φpm的变化，并且将永远不会完全抵消Φpm的变化。较高的负载电阻产生了较低的电流（V=IR），从而产生了较低的感生通量。较低的电阻产生较高的电流，其感生出较大的通量。在理想短路条件（即零负载电阻）的极限下，Φc的变化将抵消Φpm的变化。输出电压V、磁通量Φpm以及磁通量Φc之间的关系由下式描述：
[2]         V =
Figure 434811DEST_PATH_IMAGE002
当开关接触器S闭合时，PMG 10进入抵消模式，其中PMG 10快速地去激励。开关接触器S的闭合使初级绕组22a短路通过次级绕组22b，有效地绕过输出端子Tout。因为次级绕组22b的内电阻比输出端子Tout处的发电机负载低得多，所以基本上所有初级电流Ipri将会串联地从初级绕组22a流到次级绕组22b，使得Ipri=Isec。因为次级绕组22b的内电阻非常小，输出端子Tout处的电压V将近似为零，并且Φc的变化率将接近Φpm的变化率，如公式[2]所指示的。因此，开关接触器S的闭合允许Φc的变化近似地抵消Φpm的变化，由此基本上去激励PMG 10（参见上面的公式[1]）。
当开关接触器S闭合时，初级绕组22a与次级绕组22b串联。因此，对于产生Φc而言，与初级绕组22a被直接短路相比，使初级绕组22a短路通过次级绕组22b有效地提供多至两倍的绕组匝数。根据安培定律，Φ∝NI。通过使得定子线圈22中的有效匝数加倍，产生Φc所需的电流减半。电流的这种降低保护了定子线圈22免于电阻性烧毁。
图3B是图3A的定子线圈22的简化示意图，仅示出了初级绕组22a、次级绕组22b、中性柱N、输出端子Tout、开关接触件S、以及开关控制器24的一相。开关接触件S是电开关，其能够连接或隔离次级绕组22b，并且在PMG 10的正常操作期间是打开的。开关控制器24致动开关接触件S。在一个实施例中，开关控制器24响应于操作者的输入来打开和闭合开关接触件S。在另一个实施例中，开关控制器24可响应于感测到的PMG条件来自动地打开和闭合开关接触件S。开关控制器可响应于例如检测到有害发电机故障来自动地闭合开关接触件S，由此立刻去激励PMG 10以避免损坏。在PMG 10的正常操作期间，开关接触器S打开，初级绕组22a发电，并且次级绕组22b被电隔离。在PMG 10的抵消模式中，开关接触器S闭合，并且初级绕组22a被短路通过次级绕组22b，如前面关于图3A所讨论的。
图4A是定子线圈22的替代电路构造的简化示意图。图4A示出了初级绕组22a、次级绕组22b、中性柱N、输出端子Tout、电压V以及开关接触器S1A、S1B、S2A和S2B。图4B和4C是图4A的电路构造的状态的简化示意图，示出了初级绕组22a、次级绕组22b、中性柱N、输出端子Tout和电压V。图4B示出了正常操作模式，而图4C示出了抵消模式。开关接触器S1A、S1B、S2A和S2B是类似于开关接触器S的接触器。
在正常操作期间，图3A和3B的电路构造仅采用初级绕组22a来发电，让次级绕组22b断开。图4A所示的替代构造使得全部的定子线圈22（初级绕组22a和次级绕组22b二者）能够被用于发电，不过需要略微更复杂的线路。
在普通操作期间，开关接触器S1A和S1B闭合，并且开关接触器S2A和S2B打开，使得初级绕组22a和次级绕组22b并行地操作，如图4B所示。该构造使得所采用的绕组铜面积加倍，从而相对于图3A和3B的构造降低了铜功率损耗。在图4C所示的抵消模式中，开关被颠倒过来：开关接触器S2A和S2B闭合，并且开关接触器S1A和S1B打开。在该模式中，初级绕组22a被短路通过次级绕组22b，如前面所讨论的。该构造在输出端子Tout处产生零电压V，并且通过近似地将Φc的变化匹配Φpm的变化来抵消通过定子线圈22的通量的变化。如关于图3A所讨论的，通量抵消和电压抵消均不会是绝对的。因为次级绕组22b（与初级绕组22a类似）具有某个微小的内电阻，所以电流Ipri中的非常小部分将会离开输出端子Tout，而不是作为Isec流过次级绕组22b。结果，即使当定子线圈22处于抵消模式（图4B）时，Tout处仍将会存在小电压V（对于大多数用途而言是可忽略的）。类似地，Φc的变化将永远不会全部抵消Φpm的变化，但将会充分地抵消Φpm的变化以基本上去激励定子线圈22。
本发明提供了一种机构用于在不停止永磁体转子14的情况下并在增加极小的制造复杂性的情况下基本上抵消通过定子线圈22的通量。不需要外部电源来进行通量抵消，并且抵消所需的额外线路是最少的。该抵消系统所使用的仅有的运动部件是开关接触器，其简单、小、并且是本领域公知的。如图4A至4C的实施例所公开的，在正常操作期间，使用了定子线圈22的所有绕组。
虽然已经参照（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可作出各种变化并对其元件进行替换。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可对本发明的教导作出许多修改以适应具体情况或材料。因此，所意图的是本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种永磁体发电机，包括：
至少一个永磁体；
输出端子，所述输出端子用于连接到电负载；
初级绕组，所述至少一个永磁体产生通过所述初级绕组的变化磁通量，所述初级绕组连接在中性点和所述输出端子之间；和
抵消电路，所述抵消电路连接在所述输出端子和中性点之间，所述抵消电路包括次级绕组和开关机构，所述至少一个永磁体产生通过所述次级绕组的变化磁通量，所述开关机构具有：
       第一开关状态，其中，所述抵消电路不提供用于所述初级绕组的电流路径，并且其中，通过所述初级绕组的磁通量的变化感生出通过所述初级绕组的电流，从而在所述输出端子处产生非零电压；和
       第二开关状态，其中，所述次级绕组提供用于所述初级绕组的至中性点的返回路径，由此在所述输出端子处提供可忽略的电压或电流并且基本上抵消通过所述初级和次级绕组的通量的变化。
2.如权利要求1所述的永磁体发电机，其中，所述开关机构受操作者手动控制。
3.如权利要求1所述的永磁体发电机，其中，所述开关机构响应于故障条件自动地从所述第一开关状态切换到所述第二开关状态。
4.如权利要求1所述的永磁体发电机，其中，在所述第一开关状态中，没有电流流过所述次级绕组。
5.如权利要求1所述的永磁体发电机，其中，
所述第一开关状态将所述次级绕组连接到所述输出端子和中性点，与所述初级绕组并行；并且
通过所述次级绕组的磁通量的变化在所述次级绕组中感生出电流，从而在所述输出端子处产生非零电压。
6.如权利要求1所述的永磁体发电机，其中，所述初级和次级绕组具有相同的匝数。
7.如权利要求1所述的永磁体发电机，还包括定子和转子，其中，所述初级和次级绕组位于所述定子上，并且所述至少一个永磁体位于所述转子上。
8.一种永磁体发电机，包括：
输出端子，所述输出端子用于连接到电负载；
永磁体转子，所述永磁体转子产生磁通量；
初级定子绕组，其中所述磁通量的变化能感生出第一电流抵抗所述磁通量的变化；
次级定子绕组，其中所述磁通量的变化能感生出第二电流抵抗所述磁通量的变化；
开关机构，所述开关机构具有：
       第一开关状态，其中，所述初级定子绕组供应所述输出端子处的电流和电压；和
       第二开关状态，其中，所述初级定子绕组电连接到所述次级定子绕组以提供用于所述初级定子绕组的至中性点的返回路径，由此均衡所述第一和第二电流，其一起产生基本上抵消所述磁通量的变化的磁通量。
9.如权利要求8所述的永磁体发电机，其中，所述开关机构响应于操作者命令而切换状态。
10.如权利要求8所述的永磁体发电机，其中，所述开关机构在检测到发电机故障时自动地切换状态。
11.如权利要求8所述的永磁体发电机，其中，在所述第一开关状态中，所述次级定子绕组也提供电流和电压至所述输出端子。
12.如权利要求8所述的永磁体发电机，其中，无论所述永磁体转子的运动，所述次级定子绕组在所述第一开关状态中被隔离并且所述第二电流在所述第一开关状态中因此为零。
13.如权利要求8所述的永磁体发电机，其中，所述初级和次级定子绕组具有相同的匝数。
14.一种永磁体发电机，包括：
输出端子，所述输出端子用于连接到外部负载；
初级绕组，所述初级绕组连接在中性点和所述输出端子之间；
至少一个永磁体，所述至少一个永磁体能够产生通过所述初级绕组的变化磁通量，由此在所述初级绕组中感生出第一电流抵抗所述通量的变化；和
次级绕组，所述次级绕组能够选择性地与所述初级绕组电连接以提供用于所述初级绕组的至中性点的返回路径，从而当所述次级绕组与所述初级绕组连接时不向所述外部负载提供电压或电流。
15.如权利要求14所述的永磁体发电机，其中，所述初级绕组和所述次级绕组具有相同的匝数。
16.如权利要求14所述的永磁体发电机，其中，所述初级发电机绕组的短路导致所述永磁体在所述初级和次级绕组中感生出电流，以基本上完全地抵消所述变化磁通量的变化。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120725