CN107959388A - 交流发电机的电气隔离 - Google Patents

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Abstract

用于向电力网络中的一个或多个部件产生电力的交流发电机包括：包括定子、转子和整流器的机械部分、连接至机械部分并且被配置成连接至电池的电池接线端子、以及集成至交流发电机的隔离装置。隔离装置被定位在至少机械部分与电池接线端子之间的电通路上，并且隔离装置被配置成基于在电力网络中发生的不良工况而隔断交流发电机和电力网络中的另一部件中的至少一者使其不从电池接收电流。

Description

交流发电机的电气隔离
相关申请的交叉引用
该申请是于2016年10月18日提交的序列号为62/409,689的美国申请的非临时申请，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
示例性实施方式涉及电机的技术，并且更具体地涉及用于隔离电力网络中的交流发电机和/或其它部件的部件。
许多机动车辆包括将机械能转化成用于向车载电池充电的电能的交流发电机。交流发电机通常是具有向车辆电力网络提供大量电流的能力的露天发电装置。在某些极端的故障模式期间(例如，误操作、由于车辆故障导致的过热)，交流发电机可能会以不再获得电流的方式受到损害，并且交流发电机由于施加于其上的故障而成为B+到接地短路的通路。这可能会导致过多能量进入交流发电机中并且导致热损坏以及消耗电池并损害电力网络。
发明内容
用于向电力网络中的一个或多个部件产生电力的交流发电机的实施方式包括：包括定子、转子和整流器的机械部分、以及连接至机械部分并且被配置成连接至电池的电池接线端子。交流发电机还包括集成至该交流发电机的隔离装置，隔离装置被定位在至少机械部分与电池接线端子之间的电通路上，隔离装置被设置成基于在电力网络中发生的不良工况而隔断交流发电机和电力网络中的另一部件中的至少一者使其不从电池处接收电流。
控制对电力网络中的一个或多个部件的电力供应的方法的实施方式包括操作交流发电机的机械部分以发电，机械部分包括定子、转子和整流器，并且将电能经由交流发电机的接线端子传输至电池。该方法还包括基于在电力网络中发生的不良工况，隔离交流发电机和电力网络中的另一部件中的至少一者使其不从电池处接收电流，由集成至所述交流发电机的隔离装置执行隔离，隔离装置被定位在至少机械部分和电池接线端子之间的电通路上。
附图说明
以下描述不应被认为以任何方式限制本发明。参照附图，相同的元件被相同地标记：
图1示出了交流发电机的实施方式；
图2是示出了交流发电机的实施方式的电路图，其中，交流发电机包括被配置为熔断器的整体式隔离装置；
图3是示出交流发电机的实施方式的电路图，其中，交流发电机包括被配置为熔断器的整体式隔离装置；
图4是示出交流发电机的实施方式的电路图，其中，交流发电机包括被配置为二极管的整体式隔离装置；
图5是示出交流发电机的实施方式的电路图，其中，交流发电机包括被配置为二极管的整体式隔离装置；
图6示出了包括交流发电机的电力网络的实施方式，并且电力网络被集成至交流发电机的隔离装置划分成多个子网络；
图7示出了包括接线端子和交流发电机附件的交流发电机的一部分；
图8示出了作为交流发电机的一部分的常规接线端子；
图9示出了作为交流发电机的一部分并且包括至少一个电气隔离特征的接线端子的实施方式；
图10示出了作为交流发电机的一部分并且包括至少一个电气隔离特征的接线端子的实施方式；
图11示出了作为交流发电机的一部分并且包括至少一个电气隔离特征的接线端子的实施方式；
图12A至图15B示出了作为交流发电机的一部分并且包括至少一个电气隔离特征的接线端子的示例。
具体实施方式
在本文中参照附图通过示例而非限制的方式给出所公开的设备和方法的一种或多种实施方式的详细描述。
提供用于隔离包括交流发电机的电力网络中的部件的装置、系统和方法。交流发电机或其部件的实施方式包括与交流发电机集成的隔离装置，其中，隔离装置可以在电力网络中发生故障的情况下隔离交流发电机的部分和/或隔离电力网络中的一个或多个其它部分。例如，可以致动(例如，基于交流发电机电流超过临界值)隔离装置来将交流发电机的部分隔离以阻止电流回流。在一种实施方式中，如下所述的隔离装置和隔离端子提供了将电力网络划分成可以被单独供电或隔离的多个子网络的方法。
交流发电机可以包括集成至交流发电机的熔断器，熔断器在过电流工况的情况下可以禁用(即，与诸如电池的电源断开)交流发电机的全部或部分。在一种实施方式中，熔断器被定位在车辆或电池接线端子与交流发电机中的至少机械部分(包括定子、转子和整流器)之间。例如，熔断器被沿着位于电池接线端子与交流发电机的机械部分之间的电通路定位。熔断器可以被定位成使得当熔断器打开时，交流发电机完全与电源断开，或者熔断器可以被定位成使得交流发电机的机械部分被断开，但是保持向诸如调节器或控制器的其它部件供电。
在一种实施方式中，交流发电机包括集成至交流发电机的二极管，二极管在机械短路工况的情况下阻止电流回流至交流发电机并且将交流发电机与电源(例如，电池)隔离。在一种实施方式中，二极管被定位在车辆或电池接线端子与交流发电机的至少机械部分之间。例如，二极管被沿着位于电池接线端子与交流发电机的机械部分之间的电通路定位。二极管可以被定位成使得交流发电机与从电源流出的电流完全隔离，或者被定位成使得交流发电机的机械部分被隔离，但是保持向诸如调节器或控制器的其它部件供电。以这种方式，即使在交流发电机本身或其它部件被施加过热损坏的某些严重事件期间，热损坏也不会导致电池(B+)接地短路。
二极管还可以被配置成将电力网络划分成多个子网络，二极管也可以被用于降低系统的泄漏电流以及隔离多电池系统。例如，二极管被配置成建立在主电池和交流发电机被禁用的情况下被用于提供备用电力的子网络。与交流发电机集成的二极管的放置还具有与常规系统相比能够断开电力网络的更集中区域的优点，而不是断开对整个网络的供电。
在一种实施方式中，交流发电机包括接线端子(例如，车辆或电池端子)，接线端子包括一个或多个隔离特征并且在过电流事件或在隔离装置被致动期间的其它工况期间或在过电流可能流入交流发电机的工况期间阻止或减少电流从接线端子流入交流发电机。例如，接线端子包括由绝缘材料隔开的金属螺柱部分或其它导电部件，即使在极端的热事件期间绝缘材料也有助于防止大量的电流流入交流发电机。
图1示出了被配置成向诸如车辆电力网络的电力网络提供电力的交流发电机10的实施方式。交流发电机10包括其中被设置有定子组件14和转子组件16的壳体12。转子组件16被安装在壳体12中并通过轴18支承。
交流发电机还包括散热片20，其上安装有电压调节器22或其它合适的控制装置。调节器22可以是交流发电机12内部的集成电路调节器。
各种电连接器被配置成将致动器12连接至电力系统中的其它部件。在汽车电力系统的示例中，其它部件可以包括一个或多个电池、点火开关、指示灯、车辆电子设备等。例如，电连接器包括通常将交流发电机连接至电池的电气隔离的车辆或电池接线端子24，以及连接至调节器22的调节器接线端子26。每个端子包括金属螺柱、金属螺柱部分或其它导电部件。
交流发电机12还包括隔离装置28，其被配置成在发生故障、过热、过电流和/或者其它不良工况下提供电气隔离。隔离装置28与交流发电机12集成(例如，被设置在壳体12内部或以其它方式构造成交流发电机的一部分)。在一种实施方式中，隔离装置28连接至交流发电机12的至少机械部分并且被定位在机械部分与隔离的电池接线端子24之间。在一种实施方式中，隔离装置28被沿着位于电池接线端子24与调节器接线端子26之间的电通路(例如，电线或金属插件)电气连接，但不限于此。例如，交流发电机10包括诸如金属插入件的导体30，导体将隔离装置28连接至隔离的电池接线端子24和调节器接线端子26。如图1中所示，隔离装置28和金属插入件可以被模制入交流发电机盖32中或以其它方式附接至交流发电机盖32。
在一种实施方式中，隔离装置28是或包括被配置成响应于电流超过某个临界值而自动打开的熔断器。电流临界值的示例是最大电流输出或输入，其可以基于交流发电机额定功率信息来确定。自动打开熔断器将使得至少机械部分与电池隔离以避免短路。
在一种实施方式中，隔离装置28是或包括被配置成阻止电流从电池流入交流发电机10的至少机械部分的二极管。二极管可以被用于将电力网络分隔或划分成多个子网络。
图2和图3是表示交流发电机40的示例的电路图，其中，交流发电机40包括集成至交流发电机40的至少一个熔断器42。交流发电机40可以是图1中的交流发电机10、类似配置的交流发电机或任何合适类型的交流发电机。在这些示例中，熔断器42连接在交流发电机40的至少机械部分与交流发电机40的隔离的电池接线端子44之间。交流发电机40的机械部分包括将电流向整流桥48输出的定子线圈46，整流桥48又经由电池接线端子44连接至电池50。整流桥48可以嵌入在散热片中。机械部分还包括转子线圈52。调节器54连接至转子线圈52并通过调节流向转子线圈52的电流来调节来自交流发电机40的输出电压。在一种实施方式中，调节器端子26连接至整流桥48并且可以被称为整流器端子。
调节器54包括各种接线端子，诸如将调节器连接至转子线圈52以影响转子处的励磁电流的F+端子。其它调节器端子包括例如用于监测交流发电机电压的P端子以及用于为诸如充电灯的部件供电的L端子。
在图2的示例中，熔断器42被配置成：如果发生过电流，则将整个交流发电机(例如，包括机械部分和调节器54两者)与电池断开。该示例中的调节器54包括连接至整流桥48并向调节器54提供电力的B+端子。
在图2的示例中，熔断器42连接在电池端子44(示为B+ F)和整流器端子56(示为B+ UF)之间。熔断器42可以通过类似于图1所示的安装在流发电机盖上或嵌入在交流发电机盖中的金属插件或其它导体来连接。在该示例中，熔断器42响应于电流超过临界值而打开，这完全将交流发电机与电池断开。电池端子44被机械地接地至交流发电机，但当熔断器42打开时电池端子44被电气隔离。
图3示出了另一种示例，其中，熔断器42的致动断开机械部分，但保持调节器54与电池50之间的连接，使得调节器54可以继续工作。在该示例中，机械部分经由整流器端子56连接至电池50，然而，调节器54绕过熔断器42并且经由电池端子44直接连接至电池50，使得当熔断器42打开时，仍然向调节器54供电。这对于允许在调节器54与另一装置(例如，控制器或车辆控制系统)之间的通信——诸如提供故障信息或交流发电机状态信息的通信——是有益的。
图4和图5是表示交流发电机60的示例的电路图，其中，交流发电机60包括连接在交流发电机60的至少机械部分和电池接线端子64之间的至少一个二极管62。在这些示例中，二极管62连接在交流发电机60的至少机械部分与交流发电机60的电池接线端子64(示为B+ DC)之间，例如，在电池接线端子64和整流器端子66(示为B+ DA)之间。交流发电机60可以是图1中的交流发电机10、类似配置的交流发电机或任何合适类型的交流发电机。交流发电机60的机械部分包括连接至嵌入在散热片中的整流桥70的定子绕组68，整流桥70又经由电池接线端子64连接至电池72。机械部分还包括由调节器76控制的转子线圈74，在该示例中调节器76是控制流向转子线圈74的电流的低侧调节器。
二极管62被配置成：仅允许从交流发电机60到电力网络中的其它部分的正向电流。这有助于隔离电力网络中的部件的初始故障并将这种初始故障限定在电力网络的较小部分中，而且限制由于初始故障引起的进一步损坏。
在图4和图5的示例中，二极管62被定位成与交流发电机60集成(例如，连接在整流器端子66和电池端子64之间)。以这种方式，电池端子64被机械地接地至交流发电机60，但与从电池72流入至少机械部分的电流电气隔离。
在图4的示例中，机械部分和调节器70两者均经由整流器端子66连接至电池72。在图5的示例中，只有机械部分连接至整流器端子66，而调节器连接(例如，经由调节器76上的B+端子)至电池端子64。可选地，例如，调节器76可以经由如图4和图5中的虚线所示的单独的布线或导体通路而分别连接至电池以用于控制电压输出。
在一种实施方式中，二极管62将电力网络至少分隔成包括交流发电机60的第一子网络和包括电力网络中的其它部件的第二子网络。因此，二极管62可被用于将电力网络划分成可被单独供电或断开的子网络。可以以任何合适的方式配置子网络，例如，以便利用电气隔离特征并减少总泄漏电流。
例如，如图6中所示，二极管62可被用于建立第一网络78(示出为“电气网络1”)和第二网络80(示出为“电气网络2”)。电池接线端子64和网络78分别连接至电池72。在一种配置中，电力网络中的其它电气负载(除了交流发电机之外)是网络78的一部分，并且即使在交流发电机发生故障时，其它电气负载也由电池72供电而被允许运行。
在可以有效减少关闭状态泄漏的另一配置中，网络80包括在交流发电机不发电且功率总和不超过交流发电机极限时不需要电力的负载。因为网络80的所有部件将被二极管62的泄漏电流限制，所以该配置将降低电池72上的泄漏。该配置还将有助于限制二极管62的连续工作电流。在一种实施方式中，整流器端子66和电池接线端子64两者均服从于故障保护操作，使得整流器端子66处的电压不超过在电池接线端子64处的电压一所选的量，或者在整流器端子66处的电池72电压不超过所选绝对极限。
在又一配置中，网络78和网络80是双电池供电网络的一部分，其中，网络78被认为是备用电源。在该配置中，二极管62用于阻止网络78反馈给网络80。在交流发电机受到损害的情况下禁止能量流向交流发电机的机械部分时，网络78允许电池72为交流发电机的调节器部分供电。
在双电池供电网络中，网络80具有连接至其上的单独电池(未示出)。即使网络80电池完全耗尽，网络78也可以向所选的部件(例如，发动机点火装置)供电。这在海上和休闲用交通工具以及其它类型的交通工具中是有益的。例如，网络80包括在交流发电机和发动机关闭时可以被供电的各种负载，并且网络78被储备用于诸如点火部件类的所选部件，使得即使从网络80电池没有可用电力时所选部件也可以运行(例如，启动车辆发动机)。
需要注意的是，本文所述的实施方式和示例并非旨在限制交流发电机、隔离装置或电力网络的配置。例如，交流发电机可以包括多于一个的隔离装置(例如，多个二极管、多个熔断器、或一个或多个二极管和一个或多个熔断器的组合)。此外，本文所述的示例并非将隔离装置限制到其中所示的特定位置或布线配置中。
在一种实施方式中，交流发电机包括一个或多个接线端子，其中，接线端子包括被设计成在隔离装置被致动或其它情况致使交流发电机、或其它电力网络部件或子网络的电气隔离时而促进隔离的特征。图7示出了交流发电机10的示例的俯视图并且示出了用于讨论目的的电池接线端子24和整流器端子26的示例性配置。
图8示出了诸如电池接线端子24的交流发电机接线端子的常规设计。端子24包括被压入或嵌入散热片20中并且通过导电间隔件84固定至盖32的连续导电螺柱82。如图所示，在该设计中，强制散热片20(positive heat sink 20)与螺柱82之间没有隔离。
图9至图11示出了具有一个或多个隔离特征的接线端子的实施方式。在图9至图11的每个图中，导电螺柱82由被绝缘材料86分隔的导电部件替代。在这些实施方式中，导电部件包括与下部或底部部件90(例如，螺柱部分或金属插入件)隔开且相邻的上部或顶部部件88。下部部件90可以被压入或以其它方式连接至散热片20。上部部件88不直接连接至下部部件90，而是经由隔离装置(例如，熔断器或二极管)连接至交流发电机10。上部和下部部件具有被绝缘材料86隔开并且被隔开足够的距离的相邻的表面92和表面94，使得在可能损害绝缘材料86的极端故障期间，彼此相邻的表面有助于保持隔离。
图10示出包括至少覆盖相邻的表面92和表面94的附加绝缘材料的实施方式。例如，上部部件和下部部件包括在一个或多个部件上的绝缘涂层96。在一种实施方式中，涂层96至少覆盖相邻的表面92和表面94。
在图11中，端子24包括附接至相邻的表面92和表面94的每一者的高温绝缘盖帽98，诸如阳极氧化铝盖帽。盖帽98可以被压接或螺纹连接在上部部件88的端部和/或下部部件90的端部上，使得盖帽至少覆盖其相应部件的最突出的特征。绝缘涂层96和盖帽98可以被设置在部件88和部件90中的一者或两者上。
图12示出了在电池接线端子24和整流器端子26之间的连接的示例。在该示例中，交流发电机10包括具有附接至或连接至上部端子88和整流器端子26的端部的可熔连接件100。可熔连接件100可以附接至盖32、嵌入盖32中或被配置成以其它方式——例如经由整流器端子26——将接线端子24连接至机械部分。绝缘材料102将上部部件88与下部部件90隔开，并且还可以被配置为插入件或其它绝缘结构以将电池接线端子的部分安装至盖32。
图13A-C示出了包括上部部件88和下部部件90(例如，上部螺柱和下部螺柱)的接线端子24的示例。在该示例中，接线端子24包括具有一个端部连接至上部部件88并且另一端部连接至下部部件90的可熔连接件104。下部部件90和/或调节器端子26可以被嵌入或以其它方式连接至散热片20。部件以及可熔连接件104的端部被诸如陶瓷间隔件的间隔件106隔开。接线端子可以包括将接线端子24与盖32隔离的绝缘材料102。图14A-C示出接线端子的替代配置，其中，间隔件106包括一个或多个(例如，两个)阳极氧化的螺母。
图15A-B示出了电池接线端子24的替代配置，其中，电池接线端子包括由可熔连接件108连接的部件。在该实施方式中，接线端子24包括连接至散热片20的导电部件110和嵌入或以其它方式附接至盖32的附加导电部件112。附加导电部件112可以经由例如电缆接头114连接至电池。在该示例中，附加部件是金属螺柱，其可以经由可熔连接件108连接至现有的电池接线螺柱(例如，其中，部件110是现有的螺柱)。在该示例中，垫圈或其它添加件116被联接至现有的螺柱。
本文所述的实施方式可以用于各种方法中，诸如在发生故障或其它不良工况的情况下操作电力网络的方法(例如，车辆电力网络)以及隔离电力网络中的交流发电机部件和/或其它部分的方法。实施方式还可以用于在电力网络中操作和/或隔离子网络的方法中。
虽然已经参考示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离其本质范围的情况下，可以进行许多改型以使特定情况或材料适应本发明的教学。因此，不旨在使本发明限制于作为企图用于实施本发明的最佳模式而所公开的特定实施方式，而旨在使本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种用于向电力网络中的一个或多个部件产生电力的交流发电机，包括：
包括定子、转子和整流器的机械部分；
连接至所述机械部分并且被配置成连接至电池的电池接线端子；以及
集成至所述交流发电机的隔离装置，所述隔离装置被定位在至少所述机械部分与所述电池接线端子之间的电通路上，所述隔离装置被配置成基于在所述电力网络中发生的不良工况而隔离所述交流发电机和所述电力网络中的另一部件中的至少一者使其不从所述电池处接收电流。
2.根据权利要求1所述的交流发电机，还包括被配置成调节所述交流发电机的输出的调节器和连接至所述调节器的整流器端子。
3.根据权利要求2所述的交流发电机，其中，所述隔离装置被配置成隔离所述机械部分和所述调节器两者。
4.根据权利要求3所述的交流发电机，其中，所述机械部分和所述调节器连接至所述整流器端子，并且所述隔离装置被定位于在所述整流器端子和所述电池接线端子之间延伸的电通路上。
5.根据权利要求2所述的交流发电机，其中，所述隔离装置被配置成隔离所述机械部分而同时允许由所述电池向所述调节器供应电流。
6.根据权利要求5所述的交流发电机，其中，所述机械部分连接至所述整流器端子，所述隔离装置被定位于在所述整流器端子与所述电池接线端子之间延伸的电通路上，并且所述调节器经由绕过所述整流器端子的电通路连接至所述电池接线端子和电池。
7.根据权利要求1所述的交流发电机，其中，所述隔离装置是被配置成响应于通过所述交流发电机的电流量超过临界值而打开的熔断器。
8.根据权利要求1所述的交流发电机，其中，所述隔离装置是被配置成阻止电流从所述电池流入至少所述机械部分的二极管。
9.根据权利要求8所述的交流发电机，其中，所述二极管被配置成将所述电力网络至少划分成第一子网络和第二子网络。
10.根据权利要求1所述的交流发电机，其中，所述电池接线端子包括第一导电部件和与所述第一导电部件物理隔离的第二导电部件，所述第一导电部件连接到至少所述机械部分，所述第二导电部件被配置成连接至所述电池。
11.根据权利要求10所述的交流发电机，其中，所述第二导电部件电气连接至所述隔离装置并且被配置成阻止电流流经所述电池接线端子。
12.根据权利要求11所述的交流发电机，其中，所述电池接线端子包括被设置在所述电池接线端子内部并且在所述第一导电部件与所述第二导电部件之间的电气绝缘材料。
13.一种对电力网络中的一个或多个部件的电力供应的进行控制方法，所述方法包括：
操作交流发电机中的机械部分以发电，所述机械部分包括定子、转子和整流器；
经由所述交流发电机的电池接线端子将电能传输至电池；以及
基于在电力网络中发生的不良工况，隔离所述交流发电机和所述电力网络中的另一部件中的至少一者使其不从所述电池处接收电流，由集成至所述交流发电机的隔离装置执行所述隔离，所述隔离装置被定位在至少所述机械部分和所述电池接线端子之间的电通路上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述交流发电机包括被配置成调节所述交流发电机的输出的调节器和连接至所述调节器的整流器端子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，隔离所述交流发电机包括经由所述隔离装置隔离所述机械部分和隔离所述调节器两者。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述机械部分和所述调节器连接至所述整流器端子，并且所述隔离装置被定位于在所述整流器端子与所述电池接线端子之间延伸的电通路上。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，隔离所述交流发电机包括经由所述隔离装置隔离所述机械部分而同时允许由所述电池向所述调节器供应电流。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述机械部分连接至所述整流器端子，所述隔离装置被定位于在所述整流器端子与所述电池接线端子之间延伸的电通路上，并且所述调节器经由绕过所述整流器端子的电通路连接至所述电池接线端子和电池。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述隔离装置是被配置成响应于通过所述交流发电机的电流量超过临界值而打开的熔断器。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述隔离装置是被配置成阻止电流从所述电池流入至少所述机械部分的二极管。
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