CN105846626A - 高效率自激式车用发电机 - Google Patents

Abstract

一种高效率自激式车用发电机，包括电机定子、电机转子，电机定子具有一套n的绕组，绕组之间相互并联，每相绕组串联一个电容和一个开关，电容串联在每相绕组的上面，开关串联在每相绕组的下面，绕组的上面连接有模拟控制器。模拟控制器包括：可控硅整流二极管n个，滤波电容，负载阻抗，续流二极管，功率开关，触发电路，控制信号发生器；n个可控硅整流二极管之间并联，它们一端分别接在n相定子绕组上，另外一端接在一起在和一个滤波电容串联；滤波电容是用来消除电压纹波，稳定电压值。

Description

高效率自激式车用发电机

技术领域

本发明涉及汽车发电和制动领域，具体来说涉及一种车用自激式发电与制动一体机的发电机。

背景技术

目前，汽车发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时(怠速以上)，向所有用电设备(起动机除外)供电，同时向蓄电池充电。怠速工况时，车辆排放差且白白消耗汽油；而频繁地手动熄火再起动，又给驾驶带来不便。在面临油耗及排放日趋严格的双重挑战下，启停技术应运而生。启停技术消除了发动机怠速，当松离合(MT)或踩刹车(AT/AMT)时，发动机停转；当踩离合或松刹车时，自动重起发动机，从而实现节能减排目的，尤其适合交通拥堵的城市工况。而启停系统中离不开发电机的相关技术，目前普通爪极式有刷车用交流发电机的输出效率大约在50％左右，造成效率低下原因是这种爪极式转子存在比较大的漏磁现象，并不是所有的磁通都用来切割定子线圈产生电动势。传统上的起动机体积大、重量大、噪音高，并且安全可靠起动次数只有3.5万次，降低了起动机的使用寿命，对汽车使用造成很大的不便。这种爪极式的转子存在较大的漏磁，并且也需要专门的励磁电源，使结构相对复杂。

另外，由于大部分启停发电机是三相的，其发电机没有多相冗余结构使其系统的可靠性降低，当一相或多相定子绕组开路和短路时不一定可以起动或者继续运行，转矩脉动大，转子损耗大，运行性能降低，如果想增加电机的容量就必须要提高相电压。多相电机可以实现低压大容量的目标，且提高发电机的可靠性，多相电机相数的冗余，使得多相电机在定子一相或多相开路或者短路时可继续正常启动和运行。传统的制动系统需要用到电子控制单元ECU，ECU按照预先设计的程序计算各种传感器送来的信息，经过处理以后，并把各个参数限制在允许的电压电平上，再发送给各相关的执行机构，执行各种预定的控制功能。这样使得系统复杂，汽车的成本变高。

发明内容

本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种高效率自激式车用发电机，效率高，可靠性高，不需要任何外部激励功率而能独立发电。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高效率自激式车用发电机，包括电机定子、电机转子，电机定子具有一套n相绕组，绕组之间相互并联，每相绕组串联一个电容和一个开关，电容串联在每相绕组的上面，开关串联在每相绕组的下面，绕组的上面连接有模拟控制器。绕组的相数n≥5。

为了进一步完善，电机转子为鼠笼型。鼠笼式的感应电机由于没有励磁，光靠转子的旋转，其磁场难以建立，故而选择定子绕组外接电容进行励磁。电容可以使得转子硅钢片上的剩磁产生微弱的旋转磁场，之后在定子上产生电流，此时定子上的电流和电容上的电压实现一个正反馈，并且电机气隙磁场也由于这个正反馈的作用不断变大，直至磁路饱和，最终稳定。

进一步完善，模拟控制器包括一组可控硅整流二极管、滤波电容、负载阻抗、续流二极管、功率开关、触发电路、控制信号发生器；可控硅整流二极管相互之间并联，可控硅整流二极管一端分别接在n相定子绕组上，可控硅整流二极管另一端接在一起和一个滤波电容串联；负载阻抗由负载电阻和负载电抗组成，并且负载电阻和负载电抗是串联的；续流二极管跨接在负载阻抗两端；控制信号发生器由两个串联的电阻与一个电容并联组成，其中一个电阻是定值电阻，一个是可调电阻；触发电路里面包括可控硅整流二极管的触发电路以及功率开关的驱动电路；其与功率开关的门极相连。

电容提供了多相自激式感应发电机所需的励磁电流，而多相自激式感应发电机将给电容充电以增加终端电压。电容电压的增加也使感应发电机的励磁电流增加，以这种方式，电压累积持续，直到磁化电感减小到其饱和值和达到平衡点，一旦电压建立，一种自激式车用感应发电和制动一体机可以给负载供电。定子绕组电路中串联的开关是投入切除装置，控制电容器是否接入到定子绕组电路中。开关闭合自激发电，系统处于发电模式；开关断开，系统处于制动模式。

串联一个滤波电容是用来消除电压纹波，稳定电压值。负载阻抗由负载电阻和负载电抗组成，并且负载电阻和负载电抗是串联的；续流二极管跨接在负载阻抗两端；功率开关需要驱动，将触发电路接在功率开关的门极上；控制信号发生器由两个串联电阻和一个电容并联组成，其中一个电阻是定值电阻，一个是可调电阻。当系统处于发电模式时模拟控制器控制系统输出稳定的电压进行发电；当系统处于制动模式时模拟控制器控制系统输出稳定的电磁转矩进行制动。

定子绕组上串联的开关，开关闭合自激发电，系统处于发电模式；开关断开，系统处于制动模式。当系统处于发电模式时模拟控制器控制系统输出稳定的电压进行发电；当系统处于制动模式时模拟控制器控制系统输出稳定的电磁转矩进行制动。

系统处于发电模式时，输出最优目标是一个稳定的电压值，若输出电压大于稳定的电压值，开通功率开关,接入负载，使得电压值下降；若输出电压小于稳定的电压值,关断功率开关，断开负载，使得输出电压值下降。续流二级管可以使得负载电流不会有很大的波动。

系统处于制动模式时，输出的最优目标是一个稳定的电磁转矩，若输出的电磁转矩小于稳定的电磁转矩，开通功率开关，接入负载，使得电磁转矩上升；若输出的电磁转矩大于稳定的电磁转矩，关断功率开关，断开负载，使得电磁转矩下降，维持制动转矩的平稳。

本发明有益的效果是：

(1)本发明中的发电机它不需要任何外部激励功率而能独立发电，结构相对简单，使整个装置的重量减轻，体积减小。其转子是鼠笼型也适用于高速运行状态。

(2)本发明中多相发电机可以实现低压大容量的目标，而且多相发电机具有相数冗余功能，在多相电机一相或多相开路或者短路时可继续正常启动和运行。提高发电机的可靠性。

(3)本发明中模拟控制器控制既可以实现稳压发电的功能也可以实现平稳制动的功能，不需要电子控制单元ECU，性价比高。

(4)本发明的发电和制动一体机，采用多相结构，电机的转矩脉动小，从而降低了发电机的机械振动和噪声。

附图说明

图1是本发明一种自激式车用感应发电机的定子绕组电路图；

图2是本发明的发电和制动控制示意图；

图3是本发明的发电机绕线结构实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照附图：本实施例中高效率自激式车用发电机包括：电机定子、电机转子、电容、开关、定子绕组和一个模拟控制器等组成。它不需要任何外部激励功率而能独立发电。

本发明中电机转子，其结构特征为鼠笼型。鼠笼式的感应电机由于没有励磁，光靠转子的旋转，其磁场难以建立，故而选择定子绕组1外接电容3进行励磁。电容3可以使得转子硅钢片上的剩磁产生微弱的旋转磁场，之后在定子上产生电流，此时定子上的电流和电容上的电压实现一个正反馈，并且电机气隙磁场也由于这个正反馈的作用不断变大，直至磁路饱和，最终稳定。

如图1所示，电机定子具有一套n(n≥5)相绕组，每套绕组1之间以并联的方式连接，定子每相绕组1电路中上面串联一个电容3和下面串联一个开关4。电容3提供了多相自激式感应发电机所需的励磁电流，而多相自激式感应发电机将给电容3充电以增加终端电压。电容3电压的增加也使感应发电机的励磁电流增加，以这种方式，电压累积持续，直到磁化电感减小到其饱和值和达到平衡点，一旦电压建立，一种自激式车用感应发电和制动一体机可以给负载供电。

当多相自激式车用感应发电机没有连接负载时，定子电流和电容电流相等；当接入负载时，定子电流为电容电流和负载电流的总和，这就说明接入负载后电容电流减小，这样感应电压和制动力矩减小。

定子绕组1电路中串联的开关4是投入切除装置，控制电容器3是否接入到定子绕组1电路中。开关4闭合自激发电，系统处于发电模式；开关4断开，系统处于制动模式。

如图2所示，本发明一种自激式车用感应发电和制动一体机的模拟控制器包括：可控硅整流二极管2有n个(n≥5)，滤波电容5，负载阻抗，续流二极管9，功率开关13，触发电路12，控制信号发生器。

n个可控硅整流二极管2相互之间并联，它们一端分别接在n相定子绕组1上，另外一端接在一起在和一个滤波电容5串联。采用这种方式连接可以减少开关器件的数目。采用的是半波整流的方式这样可以不影响制动性能。半波整流器产生的直流电压的振幅与感应电压的峰值相等。可控硅整流二极管2通过触发电路12的触发信号控制通断。其中滤波电容5采用的是铝电解电容。这里的滤波电容5如果太大，其电压值需要很长的时间才可以满足，则导致响应时间过长，如果太小则在开关切换过程中，整流电压会变化过大，经过计算分析，最终选用56μF大的滤波电容5。

负载阻抗由负载电阻11和负载电抗10组成，并且负载电阻11和负载电抗10是串联的；在开关切换过程中负载阻抗可以限制负载上的电流。如果负载阻抗非常大，则增加了系统的体积和重量；但是负载阻抗非常小在切换过程中会产生峰值很大的电流，并且负载电感11非常小的结果会产生不连续的负载电流，这会使系统不稳定。负载电阻10太大它的热量损耗增加；负载电阻10特别是在电流模式不连续的情况下可以限制负载电流。为了防止电流模式不连续情况出现，负载电感11又不能选择比较大的，只能通过选用频率高的功率开关13。对于负载阻抗，选择负载电阻11为1.5Ω和负载电抗11为4.16Mh.。功率开关13被关闭时，续流二极管9跨接在负载阻抗两端,起到保护功率开关13的作用。

功率开关13需要驱动，将触发电路12接在功率开关的门极上。功率开关13可以优选MOSFET，和IGBT相比，它不需要负向电压将其关断，减少了系统的复杂程度。

控制信号发生器由两个电阻串联和一个电容6并联组成的，其中一个电阻是定值电阻8，一个是可调电阻7。定值电阻8和可调电阻7是用来采样并输出电压信号；电容6产生触发电路12中功率开关13需要的驱动信号。当系统处于发电模式时模拟控制器控制系统可以输出稳定的电压进行发电；当系统处于制动模式时模拟控制器控制系统可以输出稳定的电磁转矩进行制动。

系统处于发电模式时，输出最优目标是一个稳定的电压值，若输出电压大于稳定的电压值，开通功率开关13,接入负载，使得电压值下降；若输出电压小于稳定的电压值,关断功率开关13，断开负载，使得输出电压值下降。续流二级管9可以使得负载电流不会有很大的波动。系统处于制动模式时，输出的最优目标是一个稳定的电磁转矩，若输出的电磁转矩小于稳定的电磁转矩，开通功率开关13，接入负载，使得电磁转矩上升；若输出的电磁转矩大于稳定的电磁转矩，关断功率开关13，断开负载，使得电磁转矩下降，维持制动转矩的平稳。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (4)

1.一种高效率自激式车用发电机，包括电机定子、电机转子，其特征是：所述电机定子具有一套n相绕组，绕组之间相互并联，每相绕组串联一个电容和一个开关，电容串联在每相绕组的上面，开关串联在每相绕组的下面，绕组的上面连接有模拟控制器。

2.根据权利要求1所述的高效率自激式车用发电机，其特征是：所述电机转子为鼠笼型。

3.根据权利要求1所述的高效率自激式车用发电机，其特征是：所述绕组的相数n≥5。

4.根据权利要求1所述的高效率自激式车用发电机，其特征是：所述模拟控制器包括一组可控硅整流二极管、滤波电容、负载阻抗、续流二极管、功率开关、触发电路、控制信号发生器；

可控硅整流二极管相互之间并联，可控硅整流二极管一端分别接在相定子绕组上，可控硅整流二极管另一端接在一起和一个滤波电容串联；

负载阻抗由负载电阻和负载电抗组成，并且负载电阻和负载电抗是串联的；

续流二极管跨接在负载阻抗两端；

控制信号发生器由两个串联的电阻与一个电容并联组成，其中一个电阻是定值电阻，一个是可调电阻；

触发电路里面包括可控硅整流二极管的触发电路以及功率开关的驱动电路；其与功率开关的门极相连。