CN102857052A - 一种交流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流发电机，包括作为动力源的发动机，其特征在于还包括两个具有不同磁极数的多极高频发电机、高频整流电路、导电环、碳刷和桥式低频换向电路；两多极高频发电机的转子安装在同一个由发动机驱动的转子轴上，导电环也安装于转子轴上并与碳刷接触；两个多极高频发电机的转子线圈串联后与高频整流电路输入端连接，而高频整流电路的输出端接导电环后由碳刷再经桥式低频换向电路输出正弦波交流电，或者高频整流电路的输出端经桥式低频换向电路后再接导电环由碳刷输出正弦波交流电。本发明相比现有技术，结构简单、生产工艺方便、可节约大量硅钢材料及铜材，降低了成本；且本发明发电效率高，波形失真度小，抗干扰能力强。

Description

一种交流发电机

技术领域

本发明涉及一种交流发电机。

背景技术

逆变发电机由于其体积小，重量轻，电性能好等诸多优点，近年来在小型引擎发电机领域发展很快。现有的逆变发电机的工作原理是采用一个高频发电机发出一个频率较高的等幅交流电，通过整流方法将该交流电整流成一个恒定的直流电，再通过逆变电路将其转换成所需要的交流电，俗称ADA方式。由于现有的ADA逆变电路是通过桥式电路，采用IGBT功率晶体管对直流电斩波，再通过LC电路对该波形进行整形，还原成交流正弦波。因为采用IGBT功率晶体管在斩波频率20K的状态下工作会产生较大的开关损耗，造成晶体管的发热及功率的损失，降低了效率，同时用来对斩波后波形进行整形的大功率电感也会产生较大的热量，造成较大的损耗。同时20K斩波频率的多次谐波会产生可发射的高频无线电电磁波，如要将发电机功率做的更大，则无线电电磁波也更大，这将无法通过现有的欧洲EMC认证要求。

当然现有技术中亦有通过对较高频率等幅交流电直接用可控整流方法整流，同时控制其不同时间的导通角来获得接近正弦波波形的交流电，但波形失真度较大，而且在不同负载下失真度变化更大，从而无法满足许多用电器的要求。且从成本角度ADA逆变方式所使用的IGBT大功率晶体管，大容量电解电容，大功率电感的价格都较高，且IGBT晶体管规格随着电流的增大，价格成指数倍的增加，所以要制造5千瓦以上或更大功率的发电机成本将更高。所以目前逆变发电机还很难替代传统发电机。

两个高频交流电叠加后会产生具有包络线的交流电是公知的原理方法，这种方法可产生出波形失真度小的正弦波交流电，然而上述原理方法还未利用在交流发电机行业领域。

发明内容

本发明目的是：提供一种交流发电机，其相比背景技术中涉及的现有发电机，不仅结构简单，生产工艺方便，节约原材料，成本低廉，而且波形失真度小，抗干扰能力强，发电效率高。

本发明的技术方案是：一种交流发电机，包括作为动力源的发动机，其特征在于还包括两个具有不同磁极数的多极高频发电机、高频整流电路、导电环、碳刷和桥式低频换向电路；所述两个多极高频发电机的转子安装在同一个由发动机驱动的转子轴上，所述导电环也安装在该转子轴上并与碳刷接触；所述两个多极高频发电机的转子线圈串联后与高频整流电路输入端连接，而高频整流电路的输出端接导电环后由碳刷再经桥式低频换向电路输出正弦波交流电，或者所述高频整流电路的输出端经桥式低频换向电路后再接导电环由碳刷输出正弦波交流电。

优选的，本发明中所述两个多极高频发电机均为外定子内转子结构，并且它们的定子固定在同一个定子套内。

本发明中如按照转子3000转/分，输出交流电频率50Hz的通用要求，其中一个多极高频发电机与另一个多极高频发电机的周波数差优选两周，即产生两个周期变化的调幅叠加波形，所述两个周期变化的调幅叠加波形通过高频整流后形成一个50Hz正弦波交流电被整流后的正向直流脉动电压波形，再将该直流脉动电压通过桥式低频换向电路换向，最终输出所需的正弦波交流电。

优选的，本发明中所述两个不同磁极数的多极高频发电机发出的高频交流电串联后输出的包络线波形的过零点与所述桥式低频换向电路的换向点角度对齐。

进一步的，本发明中还包括电压控制电路，所述高频整流电路的输出端先与所述电压控制电路相连，再依次经导电环、碳刷和桥式低频换向电路输出；或者所述高频整流电路的输出端依次经导电环、碳刷、电压控制电路和桥式低频换向电路输出；或者所述高频整流电路的输出端先与所述电压控制电路相连，再依次经桥式低频换向电路、导电环和碳刷输出；所述电压控制电路用于对高频整流后的直流脉动电压大小进行调整从而达到交流发电机输出电压的稳定。

当然更进一步的，本发明中所述高频整流电路和电压控制电路均安装在转子轴上，并与两个多极高频发电机的转子同步旋转。具体实施时，承载高频整流电路和电压控制电路的电路板可与转子轴上用于固定两个多极高频发电机转子的转子支架相固定。

本发明除开上述的在高频整流环节采用电压控制电路对整流后的直流脉动电压进行调整的方法之外，还提供另一种调压手段如下：

所述两个多极高频发电机的定子磁极均采用永磁磁极与电励磁磁极组合，所述两个定子上的电励磁磁极线圈均连接电压控制电路，所述电压控制电路包括对交流发电机输出端电压进行取样的取样电路及电励磁磁极线圈驱动电路，所述电励磁磁极线圈驱动电路以交流发电机输出端作为供电端或者采用其它供电端（比如独立的专供电励磁磁极线圈的供电电路）；所述电压控制电路通过调整两个定子的电励磁磁极线圈上的电流大小来控制两个转子线圈上的电压大小，从而达到输出电压的稳定。

当然，实际实施时优选的，本发明中所述电压控制电路的取样电路和电励磁磁极线圈驱动电路均接入所述桥式低频换向电路的输出端，所述取样电路对经桥式低频换向电路换向得到的正弦波交流电进行取样，同时电励磁磁极线圈则采用上述输出的正弦波交流电来供电。

除了上述两种调压手段之外，本发明也可以在桥式低频换向电路中设置电压控制电路，在换向的同时对经高频整流后的直流脉动电压进行调节达到交流发电机输出电压的稳定，这也是一种可取的调压手段。

本发明的工作原理如下：两个发出不同频率等幅交流电的多极高频交流发电机的输出线圈以串联方式连接后，其波形叠加会产生一个幅度随两个等幅交流电的电压差变化的具有包络线的调幅交流电，再将所述调幅交流电通过高频整流电路整流后形成一个正弦波被整流后的直流脉动电压波形，再将所述直流脉动电压经导电环和碳刷引出，最后经桥式低频换向电路的换向输出形成所需的正弦波交流电；或者直流脉动电压也可以先经桥式低频换向电路的换向形成正弦波交流电，最后再通过导电环和碳刷引出。

本发明的优点是：

本发明相比现有技术的发电机，结构简单、生产工艺方便、可节约大量硅钢材料及铜材因此降低了成本，电性能可达到目前逆变发电机的大部分指标，均高于现有通用发电机的指标，发电效率与通用发电机相比特别是小型通用发电机相比大大提高。因此节约了使用成本，同时也减少了对环境的污染。

本发明能够产生出波形失真度小，且不存在高频无线电电磁波干扰的正弦波交流电，它不但具有现有逆变发电机的所有优点，而且制造成本大大低于现有逆变发电机，甚至低于目前一般通用发电机的制造成本，且不存在高频无线电电磁波，能够通过现有的欧洲EMC认证要求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图１为本发明一种具体实施例的结构示意图（高频整流环节对直流脉动电压进行控制来稳定输出电压）；

图2为图1的A－A剖面图；

图3为图1的B－B剖面图；

图4为图1实施例的电原理简图；

图5为本发明第二种具体实施例的结构示意图（通过控制部分电励磁磁极线圈电流来稳定输出电压）；

图6为图5的C－C剖面图；

图7为图5的D－D剖面图；

图8为图5实施例的电原理简图；

图9为一个多极高频发电机发出的等幅交流电波形；

图10为另一个多极高频发电机发出的等幅交流电波形；

图11为两个不同频率等幅交流电叠加后的具有包络线的交流电波形；

图12为具有包络线的交流电经高频整流后的直流脉动电压波形；

图13为直流脉动电压经桥式低频换向电路换向后输出的正弦波交流电波形；

图14为本发明第三种具体实施例的电原理简图（桥式低频换向电路中自带电压控制电路）。

其中：M1、M2分别表示磁极数不同的两个多极高频发电机；1、发动机；2、转子轴；3、转子支架；4、定子套；5、导电环；6、碳刷；7、碳刷架；8、高频整流电路；9、桥式低频换向电路；10、电压控制电路；Q1、Q2分别表示两个多极高频发电机的转子磁极；R1、R2分别表示两个多极高频发电机的定子磁钢；L1、L2分别表示两个多极高频发电机定子的电励磁磁极。

具体实施方式

实施例1：结合图1－4所示，本实施例提供的这种交流发电机，具有作为动力源的发动机1，其发电装置部分的特点是将两个磁极数不同的多极高频发电机M1、M2做成一个整体结构，即将两个所述多极高频发电机M1、M2的转子固定在同一个转子支架3上，再将转子支架3固定在转子轴2上，该转子轴2与发动机1的输出轴相连。而将两个多极高频发电机M1、M2的定子固定在同一个定子套4上。所述两个多极高频发电机M1、M2做成不同数量磁极数，因为这两个多极高频发电机M1、M2的磁极数不同，因此被固定在同一根转子轴2上在转动时两个多极高频发电机可发出不同频率的高频等幅交流电。本实施例中的转子轴2上还装配有导电环5，定子套4内则固定有碳刷架7，所述碳刷架7上固定碳刷6与导电环5接触。具体结合图4所示的电原理简图，本实施例中所述两个多极高频发电机M1、M2的转子线圈串联后与高频整流电路8输入端连接，如图1所示，具体实施时，本实施例中承载高频整流而高频整流电路8的输出端与一电压控制电路10相连，再依次经导电环5、碳刷6和桥式低频换向电路9输出。电路8和电压控制电路10的电路板与转子轴2上用于固定两个多极高频发电机M1、M2转子的转子支架3相固定。

具体结合图2－3所示，本实施例中，其中一个多极高频发电机M1的转子磁极Q1数为30极，另一个多极高频发电机M2的转子磁极Q2数为24极；30极的多极高频发电机M1相对应的定子磁钢R1为10对SN极、24极的多极高频发电机M2相对应的定子磁钢R2为8对SN极。在转速为3000转/分时，30极的多极高频发电机M1输出的为三相500赫兹等幅高频交流电（如图9所示），24极的多极高频发电机M2输出的为三相400赫兹等幅高频交流电（如图10所示）。

结合图11－13所示，本实施例工作时，两个多极高频发电机M1、M2的转子线圈串联后输出由两个高频电压相叠加产生的具有包络线波形的交流电（图11所示），后经高频整流电路8的整流形成一个正弦波被整流后的直流脉动电压（图12所示），由于直流电的调压比交流电的调压要方便得多，因此本实施方案优先选择对所述直流脉动电压进行电压调整，即使得高频整流电路8整流输出的直流脉动电压经过电压控制电路10调整后获得电压恒定的直流脉动电压。随后将调压后的直流脉动电压通过导电环5和碳刷6引出，最后经桥式低频换向电路9换向输出所需的正弦波交流电（图13所示）。

实施例2：结合图5－图8所示，本实施例提供的这种交流发电机其大致结构与实施例1相同，都具有作为动力源的发动机1，并且发电装置部分的特点是将两个磁极数不同的多极高频发电机M1、M2做成一个整体结构，即将两个所述多极高频发电机M1、M2的转子固定在同一个转子支架3上，再将转子支架3固定在转子轴2上，该转子轴2与发动机1的输出轴相连。而将两个多极高频发电机M1、M2的定子固定在同一个定子套4上。所述两个多极高频发电机M1、M2做成不同数量磁极数，因为这两个多极高频发电机M1、M2的磁极数不同，因此被固定在同一根转子轴2上在转动时两个多极高频发电机M1、M2可发出不同频率的高频等幅交流电。本实施例中的转子轴2上还装配有导电环5，定子套4内则固定有碳刷架7，所述碳刷架7上固定碳刷6与导电环5接触。

具体结合图6－图8所示，本实施例2与实施例1的不同在于所述两个多极高频发电机M1、M2的定子磁极均采用永磁磁极与电励磁磁极组合（即在定子套4上同时安装有磁钢和电励磁磁极）。所述两个多极高频发电机M1、M2的转子线圈串联后与高频整流电路8输入端连接，而高频整流电路8的输出端接导电环5后由碳刷6再经桥式低频换向电路9输出；同时本实施例中所述两个多极高频发电机M1、M2定子上的电励磁磁极L1、L2线圈均经一电压控制电路10接入末端的桥式低频换向电路9。

本实施例中所述电压控制电路10包括对交流发电机输出端电压进行取样的取样电路及电励磁磁极线圈驱动电路，本实施例中该电压控制电路10的取样电路和电励磁磁极线圈驱动电路均接入所述桥式低频换向电路9的输出端。其中所述取样电路对经桥式低频换向电路9换向得到的正弦波交流电进行取样，同时电励磁磁极线圈则采用上述输出的正弦波交流电来供电。所述电压控制电路10通过调整两个多极高频发电机M1、M2定子的电励磁磁极线圈上的电流大小来控制两个转子线圈上的电压大小，从而达到输出电压的稳定。

具体如图6、图7所示，本实施例中；其中一个多极高频发电机M1的转子磁极Q1数为30极，另一个多极高频发电机M2的转子磁极Q2数为24极。30极的多极高频发电机M1相对应的为８对SN极永磁定子磁钢R1和２对SN极电励磁磁极L1，24极的多极高频发电机M2相对应的为6对SN极永磁定子磁钢R2和２对SN极电励磁磁极L2。在转速为3000转/分时，30极的多极高频发电机M1输出的为三相500赫兹等幅高频交流电（如图9所示），24极的多极高频发电机M2输出的为三相400赫兹等幅高频交流电（如图10所示）。

结合图11－图13所示，本实施例具体工作时，由于所述两个多极高频发电机M1、M2的定子分别安装有部分电励磁磁极L1、L2，通过电压控制电路10改变电励磁磁极L1、L2线圈上电流的大小即可控制所述转子线圈上电压的大小，从而达到稳定输出电压的目的。由所述两个多极高频发电机M1、M2发出的经稳压的等幅高频交流电串联叠加后产生一个具有包络线波形的交流电（图11所示），后经高频整流电路8的整流形成一个正弦波被整流后的直流脉动电压（图12所示），该直流脉动电压通过导电环5和碳刷6引出，最后经桥式低频换向电路9换向输出所需的正弦波交流电（图13所示）。

实施例3：本实施例提供的这种交流发电机的结构与实施例1基本相同（参见图1~图3），其区别在于本实施例中没有在高频整流电路8的输出端安排电压控制电路10，而是将电压控制电路10置于桥式低频换向电路9中。即本实施例没有在高频整流环节对经整流后的直流脉动电压进行调整，而是在换向的同时对经高频整流后的直流脉动电压进行调节达到交流发电机输出电压的稳定。本实施例的工作原理波形图参见图11~13，不再详述。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流发电机，包括作为动力源的发动机，其特征在于还包括两个具有不同磁极数的多极高频发电机、高频整流电路、导电环、碳刷和桥式低频换向电路；所述两个多极高频发电机的转子安装在同一个由发动机驱动的转子轴上，所述导电环也安装在该转子轴上并与碳刷接触；所述两个多极高频发电机的转子线圈串联后与高频整流电路输入端连接，而高频整流电路的输出端接导电环后由碳刷再经桥式低频换向电路输出正弦波交流电，或者所述高频整流电路的输出端经桥式低频换向电路后再接导电环由碳刷输出正弦波交流电。

2.根据权利要求1所述的一种交流发电机，其特征在于所述两个多极高频发电机均为外定子内转子结构，并且它们的定子固定在同一个定子套内。

3.根据权利要求1所述的一种交流发电机，其特征在于：所述两个不同磁极数的多极高频发电机在相同转速时的周波数差为两周。

4.根据权利要求1或3所述的一种交流发电机，其特征在于：所述两个不同磁极数的多极高频发电机发出的高频交流电串联后输出的包络线波形的过零点与所述桥式低频换向电路的换向点角度对齐。

5.根据权利要求1所述的一种交流发电机，其特征在于：还包括电压控制电路，所述高频整流电路的输出端先与所述电压控制电路相连，再依次经导电环、碳刷和桥式低频换向电路输出；或者所述高频整流电路的输出端依次经导电环、碳刷、电压控制电路和桥式低频换向电路输出；或者所述高频整流电路的输出端先与所述电压控制电路相连，再依次经桥式低频换向电路、导电环和碳刷输出；所述电压控制电路用于对高频整流后的直流脉动电压大小进行调整从而达到交流发电机输出电压的稳定。

6.根据权利要求5所述的一种交流发电机，其特征在于：所述高频整流电路和电压控制电路均安装在转子轴上，并与两个多极高频发电机的转子同步旋转。

7.根据权利要求1或2所述的一种交流发电机，其特征在于：所述两个多极高频发电机的定子磁极均采用永磁磁极与电励磁磁极组合，所述两个定子上的电励磁磁极线圈均连接一电压控制电路，所述电压控制电路包括对交流发电机输出端电压进行取样的取样电路及电励磁磁极线圈驱动电路，所述电励磁磁极线圈驱动电路以交流发电机输出端作为供电端或者采用其它供电端；所述电压控制电路通过调整两个定子的电励磁磁极线圈上的电流大小来控制两个转子线圈上的电压大小，从而达到输出电压的稳定。

8.根据权利要求7所述的一种交流发电机，其特征在于所述电压控制电路的取样电路和电励磁磁极线圈驱动电路均接入桥式低频换向电路的输出端，所述取样电路对经桥式低频换向电路换向得到的正弦波交流电进行取样，同时电励磁磁极线圈则采用输出的正弦波交流电来供电。

9.根据权利要求1所述的一种交流发电机，其特征在于所述桥式低频换向电路中设有电压控制电路，在换向的同时对经高频整流后的直流脉动电压进行调节达到交流发电机输出电压的稳定。

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