CN1141527A - 交流发电设备及方法 - Google Patents

Abstract

通过控制三相全波整流器(11)的半导体开关器件(11a-11f)，经开关(11a-11f)将反向电流从蓄电池(9)输送到三相同步发电机(100)的电枢线圈(5a-5c)。借助这种控制，反向电流就会减少各相电枢电流的波形变形，以减低电磁力波动，从而减低振荡或噪音。

Description

交流发电设备及方法

本发明涉及一种具有含伦德尔型场磁极的交流发电机的交流发电设备，以及该发电设备的控制方法。具体地说，本发明涉及减少电磁力的波动及相关的电磁噪音。

传统的用于机动车辆的具有伦德尔型场磁极的发电机具有三相全波整流器，其元件二极管用来整流所产生的三相电压。发电机通过三相全波整流器将所整流的直流电流输送给蓄电池或车辆的电气负载。

然而在传统的车辆发电机中，流过每相电枢线圈(定子绕组)的电枢电流是周期性变化的(电枢电流周期性地切断)，以致作用于伦德尔型场磁极的各部分上的电磁力发生波动。因此传统的发电机就有这样的问题，当电磁力波动的预定频率成分与伦德尔型场磁极的特定谐振频率一致时，就会产生颇大的振荡或噪音。这种振荡和噪音往往是在发电机的1300-3000转/分的转速下产生的，亦即是发动机的空载运转的范围，这时其它形式的噪音较小，因此司机和乘客容易感觉到这种振荡和噪音。此外，当场磁通颇强，铁心(转子)磁饱和时，这种振荡或噪音就很显著。

为了减少由车辆发电机的电磁力波动所引起的振荡或噪音，根据传统技术用以衰减振荡的阻尼器就装配到钉状的伦德尔型场磁极上，或者增强外罩隔音。然而，这些措施引起了新的问题，诸如增长了所需的生产过程，使结构复杂，增加了尺寸或重量，以及减少了单位重量的功率输出。

因此，本发明的目的是提供一种交流发电设备及方法，这种交流发电设备及方法能通过减少电磁力波动而减少振荡或噪音。

本发明的另一个目的是提供一种交流发电设备及方法，这种交流发电设备及方法能减少振荡或噪音，同时避免了增长生产过程、复杂的结构、加大的尺寸和重量，以及减少的单位重量功率输出。

本发明是基于本发明人发现电磁力的波动是由各相的电枢电流的周期性变化所引起的，以及考虑到减少电枢电流的周期性变化就能抑制振荡或噪音。

根据本发明，检测与交流发电机的电磁力波动的频率和相位相关的物理量，根据测定的频率和相位，根据测定的频率和相位，向各相的电枢线圈(定子绕组)输送具有抑制电磁力波动的频率和相位的放电电流(反向电流)。这种反向电流是作为沿着与电枢电压相反的方向流入的电枢电流予以输送的(亦即是，从高电平直流电源端子流入电枢线圈，然后从低电平直流电源端子流出)。这样就能减少发电机电磁力的波动，因而能减少由电磁力波动所引起的发电机的振荡和噪音。

具体地说，控制反向电流的输送是要沿这样的方向向具有伦德尔型场磁极的交流电力发电机(所谓的交流发电机)的电枢线圈输送反向电流，即是在从电枢线圈流出的所产生的电流变为0起的预定一段时间以后，流入电枢线圈，以及沿这样的方向向电枢线圈输送反向电流，即是在从流入电枢线圈所产生的电流的变为0起的这段预定时间之后，从电枢线圈流出。这段预定时间是一个周期内从第一预定相角位置到第二预定相角位置的时间，也就是给定相的电枢电流的电角度2π。

最好，反向电流的基率是m×p×n。由于电磁力波动的基率是m×p×n，这就足以减少电磁力波动。

在控制时减少无电流流动的这段时间是绝对必要的。最好，利用从蓄电池到电枢线圈的反向电流的作用使这段时间减少到基本上为零。换言之，除了从正转到负或从负转到正的时刻之外，禁止切断各相的电枢电流。这种结构就会减少电磁力的波动，因而减少发电机的振荡或噪音。

空间分布且作用于定子和转子之间的电磁力是作用于钉状场磁极、即伦德尔型场磁极之间的，电枢电流是空间分布且与伦德尔型场磁极相互电磁作用的。这意味着构成双向电流开关电路(变换器电路)的高压侧开关和低压侧开关的开关操作所提供的电枢电流的迅速变化引起电磁力的波动。因此，通过抑制或禁止电枢电流激励的迅速开始或切断，能减少电磁力的波动，因而就能减少发电机的振荡和噪音。

最好检测电枢线圈的电压。根据测得的电枢电压，检测对应于电磁力波动分量的相位的电枢电流的快速变化期(切断期)，在快速变化期期间输送直流蓄电池的放电电流，以抑制电磁力波动。因此，这种结构容易控制，以阻止电枢电流的快速增加或减少，从而减少电磁力波动。

最好如果场电流输送给绕转子铁心配置的场线圈，那么就输送反相电枢电流。亦即是，由于随着场电流的增加以及磁路饱和程度的增加，电磁力的波动变得更显著，如果场电流较小，就不输送反向电流(蓄电池的放电电流)，以致振荡或噪音也较小。这样就提高了能量效率。

最好用双向电流开关电路(变换器电路)构成AC-DC转换器，这种双向开关切换电路包括由半导体开关器件的组成的高压侧开关和低压侧开关。这种转换器不需要结构复杂的变换器就能提供反向电流。

在附图中，

图1是根据本发明用于车辆的交流发电设备的实施例的方框图；

图2是图1中所示的三相同步发电机的剖视图；

图3是表示图1中所示的三相全波整流器其中一相的一部分的等效电路图；

图4A-4D是表示不供给反向电枢电流时，图1中所示的MOSFET的导通定时的时间图；

图5A-5D是表示供给反向电流时，图1中所示的MOSFET的导通定时的时间图；

图6是表示当执行根据上述实施例的电动势波动抑制模式且进行二极管整流时，噪音电平和转速之间关系的图象。

图7是说明实施例1的控制器的工作原理的具体例子的流程图；

图8是说明实施例1的控制器的工作原理的具体例子的流程图；

图9是说明实施例1的控制器的工作原理的具体例子的流程图；

图10是说明实施例1的控制器的工作原理的具体例子的流程图；

图11A-11D是表示当这个实施例中供应或不供应反向电枢电流时电动势波动的时间图；

图12A-12C表示在图11A-11D中所示的各时刻反应磁通势的分布情况；

图13A-13C表示在图11A-11D中所示的各时刻的电枢电流图；

图14A-14D是表示进行二极管整流时电磁力波动的时间图；

图15A-15C表示在图14A-14D中所示的各时刻的反应磁通势的分布情况；

图16A-16C表示在图14A-14D中所示的各时刻的电枢电流图；

图17表示磁极铁心未饱和时电磁力的分布情况；

图18表示磁极铁心饱和时电磁力的分布情况；

图19是磁极铁心的简化侧视图；

图20是磁极铁心的简化正视图；以及

图21表示磁极铁心的振荡情况。

现在参照图1中所示的方框图以及图2中所示的三相同步发电机100的剖视图描述本发明的交流发电设备的实施例。

这种交流发电设备是用于车辆的，如图1中所示它包括具有伦德尔型场磁极的三相同步发电机(交流发电机)100，用以整流所产生的交变电流的三相全波整流器(双向电流开关电路、变换器电路)11，用以控制磁场电流的调节器71、以及用以控制三相全波整流器11的控制器(控制装置)7。

如图2中所示，三相同步发电机100具有传动机架1和后机架2，这两个机架借助轴承3a、3b可旋转地支承转子4。围绕转子4的外周面的定子(电枢)5固定在传动机架1上。由MOSFET所组成的整流器11对定子5的电枢线圈(定子绕组)5a-5c中所产生的电流进行整流。调节器71控制输送到磁场线圈(转子绕组)4c的磁场电流。冷却风扇4a、4b装在转子4的磁极铁心4e的相对两端。众所周知，在三相同步发电机100中，调节器71向磁场线圈4c输送所需的磁场电流，转子4借助发动机(未示出)经过皮带轮8而转动，产生旋转磁场，以致在电枢线圈5a-5c中感生三相交流电压。电阻r是一个用以检测磁场电流的插入电阻器。由电阻r所引起的电压降输入控制器7。也可以根据用以控制磁场电流的调节器71中的开关晶体管71a的占空率估算磁场电流。

包含微计算机的控制器7PWM控制磁场电流If的导通率，使蓄电池电压VB与所产生电压的预定值相一致，根据蓄电池电压VB和各相电枢线圈5a、5b、5c的输出电压产生栅极控制信号电压Ga-Gf，以及将栅极控制信号电压Ga-Gf个别加到SiC-MOSFET11a-11f的栅极。

为了使蓄电池电压保持恒定不变，调节器71控制开关晶体管的导通，以便根据蓄电池电压VB与基准电压的比较而控制磁场电流。这是众所周知的，有关其描述这里就予以省略。

三相全波整流器11包括变换器电路，如图1中所示，SiC-MOSFET11a-11f连接成三相桥式电路结构。三相全波整流器11的高电平直流输出端连接到蓄电池9的高电平端和电气负载10的一端。三相全波整流器11的低电平直流输出端与蓄电池9的低电平端和电气负载10的另一端一起接地。MOSFET11a-11c构成高压侧开关，MOSFET11d-11f构成低压侧开关。

现在参照图3描述三相全波整流器11中某一相的变换器电路。

高压侧开关MOSFET11a和低压侧开关MOSFET11d是N沟道型的，而且串接互连。MOSFET11a的一个N型区形成于电枢线圈侧，亦即是发电过程中的漏区，另一个N型区形成于蓄电池侧，亦即是发电过程中的源区，以及P势阱区形成于紧接栅极114a的下方。P势阱区和N型区之间的PN结形成寄生二极管112a。MOSFET1a的寄生二极管112a和MOSFET11d的寄生二极管112d也用作把所产生的电流输送到蓄电池9的电流通路。其它的MOSFET11b-11f是以与MOSFET11a相同的方式构成的。

接着描述三相全波整流器11的MOSFET11a-11f的开关定时。

(电磁力波动非抑制模式)

首先参照图4A4D描述不输送反向电流的模式。

作为输出相电压Va的a相的高压侧开关的MOSFET11a是以如下方式控制的。检查电枢线圈5a的相电压Va(图4B)是否高于蓄电池的电压VB和其它相电压Vb、Vc。如果相电压Va较高，MOSFET11a就导通(图4C)。当相电压Va低于蓄电池电压VB时，MOSFET11a就截止。其它高压侧开关，MOSFET11b、11c的开关通常是以相同方式控制的。

用作a相低压侧开关的MOSFET11d是以下列方式控制的。检查电枢线圈5a的相电压Va是否低于地电压VE。如果相电压Va较低，MOSFET11d就导通(图4D)。当相电压Va变成高于地电压VE时，MOSFET11d就截止。其它低压侧开关MOSFET11e、11f的开关通常是以相同方式控制的。

(电磁力波动抑制模式)

现在描述输送反向电流的模式。根据这个实施例，各相的变换器电路交替地导通MOSFET11a-11c(高压侧开关)中相应的一个及MOSFET11d-11f(低压侧开关)中相应的一个。亦即是，电枢线圈5a通过MOSFET11a或MOSFET11d连接到高电平直流电源端或低电平直流电源端，电枢线圈5b通过MOSFET11b或MOSFET11e连接到高电平直流电源端或低电平直流电源端，以及电枢线圈5C通过MOSFET11c或MOSFET11f连接到高电平直流电源端或低电平直流电源端。

现在参照图5A-5D描述a相高压侧开关11a和a相低压侧开关的11d的开关控制。

在时刻t0(图5C)，也就是从电枢线圈5a的相电流(图5A)从负变为正(开始流动)的时刻t2经过时间间隔T4(＝T2)之后高压侧开关11a导通。高压侧开关MOSFET11b、11c通常以同样的方式导通。具体地说，由于高压侧开关11a截止而低压侧开关11d导通，在时刻t0，亦即是从低压侧开关11d相对两端的电位(源电位和漏电位)变成相等起的预定时间间隔T4后，高压侧开关11a导通，而低压侧开关11d截止(图5D)。

另一方面，在时刻t1′，也就是从电枢线圈5a的相电流从正变到负(开始流入)的时刻t1起的时间间隔T2(＝T4)之后，低压侧开关11d导通。低压侧开关MOSFET11e、11f通常是以相同方式导通的。具体地说，由于低压侧开关11d截止而高压侧开关11a导通，在时刻t1′，也就是从高压开关11a相对两端的电位(源电位和漏电位)变成相等起的预定时间间隔T2后，低压侧开关11d导通，而高压侧开关11a截止。

通过用这种方式控制开关操作，高压侧开关11a和低无侧开关11d截止的定时的延迟使反向电流从蓄电池9流向电枢线圈5a(这个电流与所产生的电流相反，通过高压侧开关11a流入电枢线圈5a及通过低压侧开关11d从电枢线圈5a流出)、5b、5c。结果，频率与电磁力波动的基频m×p×n相同的反向电流输送到发电机，因而能如下文所述那样地减少电磁力波动以及抑制振荡或噪音。

开关控制的工作情况和优点总结如下：

首先，相电流Ia，也就是反相电流，沿流入电枢线5a的方向或预定时间间隔(例如图5A-5D中所示的T2)流动。

如果在预定时间T2消逝的时刻t1′还不允许反相电流流过，相电压Va则通常大于低电平直流电源端的电压(图1中为OV)，与这个负载开关并联连接的二极管的低压侧开关11d就不导通。在这种情况下，在时间t1′之后，电枢电流Ia就被切断。

然而如果允许反相电流在预定时间间隔T2内从高压侧开关11a流向电枢电流5a，在高压侧开关11a截止的时间t1′所产生的反电动势就会沿减低这相的电枢线圈5a的输出端的电位、即这相的相电压Va的方向出现。这样，相电压Va减少了反电动势值，使得相电压Va减少到低于低电平直流电源端电位。结果，低压侧开关11d或与这个低压侧开关11d并联连接的二极管导通，允许电枢电流Ia持续不中断地流动，因此抑制了电枢电流Ia的波动及减少电磁力的波动。

在预定时间间隔T2期间允许流动的反相电流在反相电流截止模式期间不流动，使电磁能积聚在电枢线圈5a中。由于这种能量是在时间t1′之后释放的，发电量(capacity)也能增加。

同样，在流过低压侧开关11d的电流从流入电枢线圈5a的这个方向倒转至电流从电枢线圈5a流出的方向后的预定时间间隔，低压侧开关11d打开。从而，由于上述同样的操作及优点，就会抑制电枢电流的波动以及减少电磁力的波动。

应该容易理解的是上述预定时间间隔(用来输送反相电流的时间间隔)的最大值是视转速而定的最长时间(最大延时)。另外应该理解的是由于每相电枢电流Ia的周期(2π电角度)是随着转速而变化的，所以最大延时是与转速成正比地变化的。而且，由于每一相所产生电压的上升随着转速的增加而变快，所以转速的增加进一步减少了最大延时。因此，控制电路可以有表示最大延时(用来输送反向电流的最长时间)和转速间关系的预存图。有了这种图，如果计算的延时大于对应于引入控制电路的转速所决定的最大延时，延时就固定为最大延时。

具体地说，根据图5A中所示的这个实施例的交流发电机的电枢电流的波形比起图4A中所示的电枢电流的波形更近似正弦波得多。这可以理解由近似正弦波的三相电枢电流所产生的旋转磁场的转速变得稳定，而电磁力波动与旋转磁场的等效中心和场磁极(磁极铗心)4e的极中心之间的间距的波动有着很强的相关性。图6表示当发电机以图5A-5D中所示的电磁力波动抑制模式运转时表明噪声电平和转速之间关系的实际测量值。虚曲线是在与实曲线相同条件下用具有二极管桥式电路的三相全波整流器11所获得的。如图中所示，电磁噪音在2400转/分的转速下减少了9dB。

现在参照图7-10中所示的流程图描述实施例的实际控制。图7的流程图表示用以检测对应于发电转速的发电周期及电磁力饱和确定的控制操作。

通过对发电周期计数的计数器清零(步骤101)、输入三相电压的任何相电压(例如Va)(步骤102)、以及确定相电压Va是否为OV(＝VE)检测相电压Va的零交叉点(步骤104)而进行控制操作。如果电压Va不是OV，标志F就设为0(步骤106)，操作就跳到步骤122。如果电压Va是OV，就检查标志F是否为1(步骤108)。如果标志F不是1，操作就跳到步骤122。如果标志F是1，通过将标志F设为1(步骤110)、使计数器停止(步骤112)及读入预置计数值(步骤114)而进行操作。

采用标志F的原因如下。由于步骤104实际上确定相电压Va是否在接近0的预定范围内，步骤104能确定Va＝OV处在这个程序的两个连续循环中，这就导致确定极短的周期。采用标志F防止了这种错误确定。

在步骤114读取的计数值表示前一个零交叉点(t0)和现时的零交叉时间(t1)之间的时间间隔(T1)，也就是发电周期T0一半的一段时间。将这个计数值加倍，获得周期T0，然后将周期T0存入存储器(步骤116)。计数器于是复位到0，重新开始(步骤118)。此时，延时T2＝T4，也就是根据周期T0确定用来输送反相电流的时间间隔(步骤120)。根据这个实施例，延期时T2＝T4(见图5A-5D)设定为周期(T0)的固定部分。

然后，根据来自电阻r的电压降信号读取场电流If，将场电流If与转子开始饱和的预定场电流值Ifref相比较(步骤124)。根据这个实施例，值Ifref用实验方法定为正常冷却条件下的最大场电流的60％。如果步骤124确定转子铁心磁通饱和，操作就转到步骤300(图9)，进入电枢电流控制模式(电磁力波动抑制模式)。否则如果步骤124确定操作转到步骤200(图8)，进入电枢电流非控制模式(电磁力波动非抑制模式)。

现在参照图8的流程图描述用以执行电磁力波动非抑制模式的程序。

通过首先检查a相的相电压Va是否大于蓄电池电压VB(步骤200)而执行这个程序。如果电压Va大于蓄电池电压VB，高压侧开关11a(步骤202)就导通，如果电压Va等于或小于蓄电池电压VB，高压侧开关11a就截止(步骤204)。然后检查a相的相电压Va是否低于OV，即蓄电池低电平端的电位(步骤206)。如果Va低于OV，低压侧开关11d就导通(步骤208)。如果Va不低于OV，低压侧开关11d就截止(步骤210)。

于是检查b相的相电压Vb是否大于蓄电池电压VB(步骤212)。如果电压Vb较大，高压侧开关11b就导通(步骤214)。如果电压Vb等于或低于蓄电池电压VB，高压侧开关11b就截止(步骤216)。接着检查b相的相电压Vb是否低于OV，即蓄电池低电平端的电位(步骤218)。如果Vb较低，低压侧开关11e就导通(步骤220)。如果Vb不低于OV，低压侧开关11e截止(步骤222)。

然后检查C相的相电压Vc是否大于蓄电池电压VB(步骤224)。如果电压Vc较大，高压侧开关11c就导通(步骤226)。如果Vc等于或低于蓄电池电压VB，高压侧开关11e就截止(步骤228)。接着检查C相的相电压Vc是否低于OV，即蓄电池低电平端的电位(步骤230)。如果Vc较低，低压侧开关11f就导通(步骤232)。如果Vc不低于OV，低压侧开关11f就截止(步骤234)。操作则转到步骤102。

现在参照图9和10描述用以执行电磁力波动抵制模式的程序。图9表示用以确定零交叉点的程序。图10表示用以控制MOSFET11a-11f的开关操作的流程图。

首先，检查标志F2是否已经设为1。标志F2表示这个程序是否第一次将要执行或已经执行了一次以上(步骤290)。如果这个程序已经执行了一次以上(F2＝1)，操作就跳到步骤300。如果这个程序将第一次执行(F2＝0)，根据图8中所示的程序只执行MOSFET11a-11f的激励(导通)(步骤292)。在将标志F2设定为1(步骤294)之后，操作转到步骤300。当开始加蓄电池电压时，标志F2已复位到0。

步骤300检查在低压侧开关11d闭合期间电压Va是否已变为等于或大于OV，以确定流过低压侧开关11d的电流，即电枢电流Ia是否已从负变为正，即从电流流入电枢线圈5a的方向变为电流流入低压侧直流电力端(OV)的方向。如果电流方向已经改变，内装计时器d就启动(步骤302)。如果电流方向不变，则检查在高压侧开关11a闭合期间Va是否已变为等于或低于VB，以确定流过高压侧开关11a的电流、即电枢电流Ia是否已从正变到负，即从电流自电枢线圈5a流入高压侧直流电力端的方向变为电流流入电枢线圈5a(步骤304)的方向。如果电流方向已经改变，就启动内装计时器a(步骤306)。如果电流方向未变，操作就转到步骤308。

步骤308在低压侧开关11e闭合期间检查电压Vb是否已变为等于或大于OV，确定流过低压侧开关11e的电流，即电枢电流Ib是否已经从负变到正，即从电流流入电枢线圈5b的方向变成电流流入低压侧直流电力端(OV)的方向。如果电流方向已经改变，就启动内装的计时器e(步骤310)。如果电流方向未改变，检查在高压侧开关11b闭合期间Vb是否已等于或低于VB，以确定流过高压侧开关11b的电流，即电枢电流Ib已从正变为负，即从电流自电枢线圈5b流出而流入高压侧直流电力端的方向变成电流流入电枢线圈5b的方向(步骤312)。如果电流方向已经改变，就启动内装的计时器b(步骤314)。如果电流方向未改变，操作就转到步骤316。

步骤316检查在低压侧开关11f闭合期间电压Vc是否等于或大于OV，以确定流过低压侧开关11f的电流、即电枢电流Ic是否已从负变成正，即从电流流入电枢线圈5c的方向变成电流流入低压侧直流电力端(OV)的方向。如果电流方向已经改变，就启动内装计时器f(步骤318)。如果电流方向未改变，则检查高压侧开关11c闭合期间Vc是否等于或低于VB，以确定流过高压侧开关11c的电流、即电枢电流Ic是否已从正变成负，即从电流自电枢线圈5c流入高压侧直流电力端的方向变成电流流入电枢线圈5c的方向(步骤320)。如果电流方向已经改变，就启动内装计时器c(步骤322)。如果电流方向未改变，则转到步骤400。

步骤400检查计时器d是否已经到时间(time out)，即预定延时△T＝T2＝T4(见图5D)是否已消逝。如果计时器d未到时间，操作立即转到步骤404。如果计时器d已到时间，则使低压侧开关11d截止，高压侧开关11a导通，计时器d复位到0。操作于是转到步骤404。

步骤404检查计时器a是否已经到时间，即预定延时△T＝T2＝T4(见图5D)是否已经消逝。如果计时器a未到时间，则操作立即转到步骤408。如果计时器a已到时间，则使低压侧开关11d导通，高压侧开关11a截止，计时器a复位到0。操作于是转到步骤408。

步骤408检查计时器e是否已经到时间，即预定延时△T＝T2＝T4(见图5D)是否已经消逝。如果计时器e未到时间，操作就立即转到步骤412。如果计时器e已到时间，则使低压侧开关11e截止高压侧开关11b导通，计时器e复位到0。操作于是转到步骤412。

步骤412检查计时器b是否已到时间，即预定延时△T＝T2＝T4(见图5D)是否已消逝。如果计时器b未到时间，操作就立即转到步骤416。如果计时器b已到时间，则使低压侧开关11e导通，高压侧开关11b截止，计时器b复位到0。操作于是转到步骤416。

步骤416检查计时器f是否已经到时间，即预定延时△T＝T2＝T4(见图5D)是否已消逝。如果计时器f未到时间，操作就立即转到步骤420。如果计时器f已到时间，则使低压侧开关11f截止，高压侧开关11c导通，计时器f复位到0。操作于是转到步骤420。

步骤420检查计时器c是否已经到时间，即预定延时△T＝T2＝T4(见图5D)是否已消逝。如果计时器c未到时间，操作就立即转到步骤102。如果计时器c已到时间，则使低压侧开关11f导通，高压侧开关11c截止，计时器c复位到0。操作于是转到步骤102。

虽然根据这个实施例开关11a-11f各自在180°电角度持续时间内闭合(导通)，但是闭合持续时间可以小于180°。在这种情况下，由于出现相应相变换器的高压侧开关和低压开关都切断的持续时间，所以应该执行以下控制。

例如结合a相进行描述。如果在高压侧开关11a和低压侧开关11d断开期间，a相的电枢线圈5a的相电压高于蓄电池电压VB，则高压侧开关11a就导通。如上所述，在从相电压Va变为低于蓄电池电压VB起的预定延时后，这样导通的高压侧开关11a就会截止。

同样，如果在高压侧开关11a和低压侧开关11d切断期间相电压Va变为低于地电位，低压侧开关11d就会导通。如上所述，在从相电压Va变为低于蓄电池电压VB起的预定延时△T后，这样导通的低压侧开关11d就会截止。可以对b相和c相执行同样方式的控制。另一方面，可以只对a相进行上述电路11的元件开关操作控制，而b和c相的开关11b、11c、11e和11f的控制在从对a相的控制的计时中偏移120°。

由于上述控制操作检测磁场电流If及铁心的饱和，从而只在产生颇大噪音时才输送反向电流，能够避免由反相电枢电流导通所引起的铜耗的增加。控制操作还能根据相电压Va检测转速，而且只有在转速处于事先预定的转速范围内时也使反向电流导通，使得由于相应电磁力所引起的振荡或噪音变得颇大。

另外，如果检测到电枢电流为0的时刻，就能检测与该时刻同步的电磁力波动的起始点。因此，这个程序就能确定从电枢电流为0时刻起的预定延时开关11a-11f导通或截止的时刻。

接着描述这个实施例的优点。图11A-11D表示与执行这个实施例的电磁力波动抑制模式时三相电流Ia-Ic和在钉状磁极(磁极铁心)中产生的电磁力N关于电相位的时间变化。虚线用电相位角表示在提供二极管整流时所呈现的特性。

图12A-12C表示在与上述相同的条件下转子的位置及在相应时刻t10-t30所发生的反应磁通势分布情况，图13A-13C表示电流图。在这些图中，编号1000表示总的合成磁通势的分布；1010表示a相的反应磁通势分布；1020表示b相的反应磁通势分布；以及1030表示c相的反相电枢电流的反应磁通势的分布。

根据本实施例，由于各相变换器电路11的高压侧开关或低压侧开关中有一个总是接通的，电枢电流Ia、Ib、Ic如图5A中所示的那样持续流动。现在结合时刻t20描述在这种情况下反应磁通势的分布。由于当引入二极管整流时。发生相对于电流I1的反向电流I2，总的磁通势分布1000就沿前进方向移动。总的磁通势分布1000的中心P和转子磁极中心之间的间隔如时刻t10和t30的情况下那样为d1。亦即是，反向电流的引入形成了平稳前进的磁场，使得反应磁通势相对于磁极的位置保持不变，即对于时间是恒定的，从而减少了电磁力波动。因此减少了由电磁力波动所引起的钉状磁极4e的振荡，相应地减少了磁噪音。这样就提供了一种低噪音交流发电机，这种交流发电机反过来又减少了电磁噪音，而不需要大规模的隔音壁或任何特定的处理，且不会引起输出性能的减低或产品体积的增大。虽然这个实施例根据电枢电压检测电枢电流，但是也可以例如用与MOSFET 11a-11f串联连接的低电阻电阻器检测电流。

下面进一步详细描述这个实施例的工作情况及优点。

首先描述发电机中产生电磁噪音的一般机理。图14A-14D是用电相位表示2000转/分下的三相电枢电流及磁极中发生的电磁力的时间变化的时间图，其中由交流发电机所产生的电压是由二极管整流器所整流的。

已经证实电磁力是与其中一相的电枢电流保持0的持续时间(即电枢电流切断的持续时间)同步波动的。这种电磁力波动的频率为m×p×n，其中m是相数，P是极数，以及n是每秒的转速。分析电枢反应和转子位置之间的位置关系，假定时间t10表示电磁力波动的开始，时间t20表示其结束，时间t30则表示其重新开始。

图15A-15C表示电枢位置固定的情况下各时刻的转子位置及电枢的反应磁通势分布。各图中的水平轴用电角相位表示电枢的位置。

这里假定磁通势分布呈正弦波，以表示电枢反应的磁通势。图16A-16C表示电流图。由于在时间t10-t20期间c相不发生电流，仅由在这段时间内a相的反应磁通势分布1010及b相的反应磁通势分布1020提供总的磁通势1000。此外，在这段时间内，由于发生在a相的电流Ia和发生在b相的电流Ib是相同的，总的磁通势1000停留在相同位置。然而由于转子是恒速旋转的，转子磁极的中心和总的磁通势的中心P之间的间隔从δ1变到δ2。这样，由于反应磁通势相对于磁极的位置改变，电磁力就急剧减少。在时间t30，由于仅在a相和c相发生电流，所以总的磁通势是由a相和c相提供的，且移到相对于时间t10相位已前进了π/m(如相数为3，则为π/3)的位置，使得中心间隔又变为δ1。

鉴于以上描述，会产生这样的电通势的波动，其频率为m×p×n，周期为锯齿波形的π/m，其中电磁力如图14b中所示的那样在电枢电流切断持续时间内减少。另外，由于波形不是呈正弦波，就认为会产生具有频率整数倍的高频分量的振荡力。

由钉状磁极4e所产生的磁通势呈磁通势分布的矩形形式，其最大值在铁心饱和时位于如图17中所示的中心处。分布形式的这种变化进一步增加电磁力的变化。在根据一般接受的设计方法的产品设计的情况下，在所加的磁场电流过量约60％的情况下铁心就会饱和，以及产生发生噪音的显著倾向。

当在电枢和具有如图19-20所示的钉状磁极的伦德尔型磁场铁心4之间所发生的电磁力变化时，钉状磁极4e就会如图21中虚线所示那样地变形，如果电磁力的频率和钉状磁极的谐振频率一致，则会特别产生大振荡。钉状磁极的谐振频率表达为

f＝kL^-2(I/A)^1/2式中L是钉状磁极的长度，A是钉状磁极的横截面积，k是常数，及I是横截面的二次矩。通过钉状磁极截面的长方体近似，上式可以写为：

f＝k′L^-2(A/L)由于磁极铁心的形状成为一般的类似形状，如果磁路的截面和线圈形状是根据产品尺寸设计的，(A/L)就成为恒定值。因此，钉状磁极的谐振频率仅取决于钉状磁极的长度L。如果设计0.6-1.6kw的交流发电设备，钉状磁极长度就在20mm-30mm的范围内，因而钉状磁极的谐振频率在5000-7000Hz的范围内。不降低输出性能就难以急刷地改变这种特性。

例如，如果钉状磁极谐振频率为6000Hz的交流发电设备对应于发动机转速以1500-12000转/分运转，如果发电机为3相12极型式，电磁力波动的频率m×p×n就成为900-7200Hz。在这种发电机中，钉状磁极的谐振就会以10020转/分(6000Hz)发生。另外，由于电磁力波动具有高频成分，如果电磁力波动的整数倍为6000Hz，钉状磁极的谐振也会发生。例如，在2500转/分(1500Hz)、3333转/分(2000)、或5000转/分(3000Hz)下，电磁力频率的整数值等于钉状磁极谐振频率，使钉状磁极强烈振动及产生大的磁噪音。尤其是在低速区，由于所产生电压低，及电枢电流切断的持续时间长，电磁力波动就大，而且所产生的噪音也大。

由于上述原因，根据这个实施例可以为振荡大的特定频率范围选择性地执行电磁力波动抑制模式。与其它的频率范围相比较，也为这个频率范围有效地强化了电磁力波动抑制模式。

(改型)

尽管上述实施例根据个别开关11a-11b的电位状态确定开关定时，但是本发明并不限于这个实施例。例如，如果为了检测转子的磁极位置而配置磁极位置检测器16，就能根据转子的磁极位置控制开关11a-11f的开关操作。

虽然结合三相发电机作了以上描述，但是应该理解本发明的反向电流供电型的发电技术也能应用于多于三相的同步发电机。

Claims (12)

1.一种用于蓄电池充电的交流发电设备，包括：

一台与该蓄电池相连接的，具有多相电枢线圈及伦德尔型场磁极的交流发电机；

用以整流从电枢线圈所产生的交流电压且输出整流电压的交-直流转换装置；

用以检测与该发电机转速有关的物理量的转速检测装置；

用以检测与来自该发电机的电磁力波动分量的相位有关的物理量的相位检测装置；以及

用以根据所述物理量控制交-直流转换装置的开关操作，以便向各相的电枢线圈输送具有抑制电磁力波动分量的频率和相位的蓄电池的放电电流的控制装置。

2.根据权利要求1的交流发电设备，其特征在于：

所述放电电流的基频为m×p×n，其中m是相数，p是极数，以及n是每秒转速。

3.根据权利要求1的交流发电设备，其特征在于：

所述控制装置利用来自该蓄电池的放电电流缩短防止电流输送到所述电枢线圈的时间间隔。

4.根据权利要求1的交流发电设备，其特征在于：

所述相位检测装置检测电枢线圈的一个电枢电压；以及

所述控制装置通过根据所检测的电枢电压控制交-直流转换装置而控制该蓄电池放电电流的输送。

5.根据权利要求1的交流发电设备，其特征在于：

所述控制装置确定输送到绕场磁极配置的磁场线圈的磁场电流是否超过预定值；以及

所述控制装置在所检测的磁场电流超过预定值时通过控制交-直流转换装置而输送放电电流。

6.根据权利要求1的交流发电设备，其特征在于所述交-直流转换装置包括：

用以个别地将高电平直流电流源端与该电枢线圈相连接的，具有半导体开关器件的高压侧开关；以及

用以个别地将设定成比高电平直流电流源端的电平低的低电平直流电电源端连接到每一相的电枢线圈的、具有半导体开关器件的低压侧开关。

7.根据权利要求6的交流发电设备，其特征在于：

大约在所述电枢线圈的输出端的电位高于高电平直流电流源端的电位时，所述控制装置使与所述电枢线圈的输出端相连接的高压侧开关导通；

大约在所述电枢线圈的输出端的电位低于低电平直流电流源端的电位时，所述控制装置使与所述电枢线圈的输出端相连接的低压侧开关导通。

8.根据权利要求6的交流发电设备，其特征在于：

从所述电枢线圈的输出端的电位高于所述低电平直流电流源端的电位起的预定时间间隔之后，所述控制装置使高压侧开关导通；

从所述电枢线圈的输出端的电位低于所述高电平直流电流源端的电位起的预定时间间隔之后，所述控制装置使低压侧开关导通。

9.根据权利要求7的交流发电设备，其特征在于：

从所述电枢线圈的输出端的电位低于所述高电平直流电流源端的电位起的预定时间间隔之后，所述控制装置使高压侧开关截止；

从所述电枢线圈的输出端的电位高于所述低电平直流电流源端的电位起的预定时间间隔之后，所述控制装置使低压侧开关截止。

10.根据权利要求8的交流发电设备，其特征在于：

从所述电枢线圈的输出端的电位低于所述高电平直流电流源端的电位起的预定时间间隔之后，所述控制装置使高压侧开关截止；

从所述电枢线圈的输出端的电位高于所述低电平直流电流源端的电位起的预定时间间隔之后，所述控制装置使低压侧开关截止。

11.根据权利要求6的交流发电设备，其特征在于：

所述高压侧开关和所述低压侧开关的至少其中之一是由SiC-MOSFET所组成的。

12.一种交流发电设备的控制方法，所述发电设备具有与蓄电池相连接的交流发电机、伦德尔型场磁极、以及用以整流从电枢线圈所输出的交流电压且将整流电压输出给蓄电池的交-直流转换装置，所述方法包括以下步骤：

检测与电磁力波动的相位和转速有关的物理量；以及

根据所测量的物理量控制交-直流转换装置的开关操作，将具有抑制电磁力波动分量的频率和相位的蓄电池放电电流输送给每一相的电枢线圈。

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