CN1172375A - 包含带有永久磁铁的发电机的发电系统 - Google Patents

包含带有永久磁铁的发电机的发电系统 Download PDF

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Abstract

一个由铁氧体磁性材料制成且用于一个发电机(1)的永久磁铁(8)可能会因某个因素诸如提供给一个励磁线圈(7)的电流,永久磁铁(8)的温度和/或一个电枢线圈的输出电流而永远失去磁性。当励磁电流超过某个预设值,并且输出电流也超过某个预设值时,就要限制励磁电流以防止出现永远消磁。这样,永久磁铁(8)的永远消磁可以被防止,同时还保证一个足够量的输出功率。当永久磁铁(8)的温度处在一个可能引起永远消磁的范围时,对励磁电流或电枢电流进行限制也是有效的。

Description

包含带有永久磁铁的发电机的发电系统
本发明关于一个发电系统，该系统包括一个带有一个安在磁场中的永久磁铁的发电机。
众所周知，在一个车载发电机的磁场控制系统中，是使用励磁电流控制技术来控制发电机的输出功率。JPA58-66538建议在引擎启动并且已产生了发电机输出电压之后的一段有限时间内，通过控制励磁电流来减少引擎的负载。JPB26-38720建议在发电机还凉着时，就通过把励磁电流控制到一个限定的值来减少引擎的负载。
既有永久磁铁又有励磁线圈的车载发电机也为人所知。例如，有一种永久磁铁发电机就被用来增加链接电枢线圈的磁通量，该发电机包含一个有着许多爪形电极的磁心和许多位于相邻爪形电极间的永久磁铁。也有人建议了一种串联型且包含一个带励磁线圈的转子和一个带永久磁铁的转子的发电机。JPA6-217411中也建议了一种励磁线圈与永久磁铁联合型的发电机，在这种发电机中，励磁线圈的通电方向是使它的磁场能抵销永久磁铁的磁场的方向，这样就能够减少引擎的铁损和负载。
一种不用励磁线圈而用永久磁铁来提供磁场的车载发电机(或永久磁铁发电机)也为人所知。
在上面提到的永久磁铁发电机和励磁线圈与永久磁铁相结合型的发电机中，由电枢线圈或励磁线圈产生的磁场(或外磁场)很容易使永久磁铁失去磁性。即当输出电流或励磁电流增加时，外磁场强度可能会增加到某个量，使得永久磁铁永远丢去磁性，因而减少了发电机的输出功率。
本发明提供了一个改进了的发电系统，它包含一个有着可不被消磁的永久磁铁的发电机，能产生足够的输出功率。
按照本发明，一个发电系统包括一个发电机，它包括一个永久磁铁、一个励磁线圈、一个电枢线圈、和一个稳压器、一个限流单元，该单元把励磁电流限制在一个不致引起磁铁永远消磁的可允许的量内。
限制励磁电流可以使永久磁铁的尺寸缩小，成本下降并且易于设计。
这里提及的防止消磁包括部分防止和完全防止，在部分防中允许有不显著消磁发生。永久磁铁的消磁意味着磁铁的一部分甚至是全部的矫顽力的降低。对于不显著的消磁来讲，只要它对发电机的输出功率、效率及性能其它方面无害，就可以被允许。这个不显著的消磁的容许程度取决于发电机的设计概念或其容量。
例如，在上面刚刚描述过的励磁线圈—永久磁铁结合型的发电机中，如果一个拿掉永久磁铁的发电机和一个带有永久磁铁的发电机在相同的运转条件下(包括励磁电流和转速)检测到二者的输出电流相差5％或更多的话，就被认为是永远消磁了。
为防止永远消磁而对电流进行的限制随着永久磁铁的材料、形状和温度面改变。
按照本发明的另一个特征，该发电系统还包括用于检测一个与永远消磁有关的指示的装置。限流单元按照该指示限制电流。
检测可能引起永远消磁的因素，以便对电流进行限制。所以，如果检测到的量可能引起永远消磁，就对励磁电流进行限制。否则，按最大水平提供励磁电流。所以，线圈的效率不会因限制电流而有所降低。
按照本发明的另一个特征，检测指示的装置包括用来检测永久磁铁温度的装置，当温度降低时，限流单元就减小励磁电流。
所以，励磁电流是按照就久磁铁的B-H曲线的变化规律来控制的，这样就能保证防止永远消磁。
例如，在一台可能在高于环境温度的温度下使用的发电机中，对电流的限制在低于60℃的温度下进行。这个温度也能被选为低于0℃或-20℃。对电流进行限制给没有电流限制的在温度相对高得多的温度下工作的发电机提供了经常的使用(无电流限制)，它允许使用缺氧体永久磁铁。
按照本发明的另一个特征，检测指示的装置包括用于检测装在发电机中的稳压器的温度的装置。
按照本发明的另一个特性，检测指示的装置包括检测发电机发电后所经历的时间的装置。永久磁铁的温度可以在把上述经历时间考虑进去的情况下，根据除永久磁铁外的其它部分的温度而估算出来。
按照本发明的另一个特征，用于检测指示的装置包括用于检测发电机的输出电流的装置。当输出电流增加到可能会引起永远消磁的水平时，限流单元就减少励磁电流。即对一个与输出电流有关的量进行检测以便能估算出外部磁场的强度，进而决定有无限流的必要性及需对励磁电流进行限制的量。
按照本发明的另一个特征，检测指示的装置包括用来检测发电机转速的装置，当转速增加时，限流单元就减少励磁电流。
按照本发明的另一个特征，限流单元把励磁电流限制在发电机在最高工作温度下工作时的最大励磁电流的范围内。
在一个能在很大范围的环境温度下工作的车载发电机中，对励磁电流进行控制以便控制输出功率或转矩。例如，当一个冷励磁线圈的电阻减少时，励磁电流就会增加。为了阻止转矩过大，就得把励磁电流限制在发电机的最大工作温度的电流以内。
按照本发明的另一个特征，限流单元包括一个按照指示对励磁电流进行通断控制的开关。
通过一个简单的结构，就可以把励磁电流限制在一个想要的水平上，并且由通断控制引起的励磁电流的脉动会在一个短时间内加热转子极。其结果是，永久磁铁被紧密地与转子的极安在一起，并且是热连接的，这样永久磁铁能在短时间内加热。
按照本发明的另一个特征，稳压器包括上述开关并通过控制上述开关的占空比来把发电机的输出电压控制在一个预设值上，检测指示的装置对励磁电流和开关的占空比进行检测，限流单元根据上述占空比把励磁电流限制在一个能防止永远消磁的励磁电流的量上。
开关的占空比被当作关于磁铁温度的指示而采用。换句话说，永久磁铁的温度与转子有紧密的关系。由于转子的温度与上述占空比有紧密关系，所以就不需要特殊的温度检测器了。
按照本发明的另一个特征，限流单元根据励磁电流的增长速率来限制占空比的增长速率。
所以，占空比可以被用来估算永久磁铁的温度。
按照本发明的另一个特征，用于检测指示的装置包括当开关接通时检测励磁线圈的电压降的装置，和
限流单元按照根据占空比、励磁电流和电压降估算出来的温度对励磁电流进行限制。
励磁线圈的温度根据它的占空比、励磁电流及电压降来估算。
按照本发明的另一个特征，所估算的温度越低，限流单元减少的励磁电流的量越多。
按照本发明的另一个特征，一个发电系统包括一个发电机，该发电机包括一个永久磁铁、一个电枢线圈、一个把电枢线圈的电流限制在某个不致引起永远消磁的允许量内的限流单元。
当电枢线圈的电流增加到一个预定量时，该电流就被限制到一个不致引起永久磁铁永远消磁的量内。
通过研究下面的详细说明、附加的权利要求和附图，就会搞清楚本发明的其它目的、特性和特征以及相关部分的功能，在附图中：
图1所示的是一个发电机主要部分的截面的侧视图，该发电机是根据本发明的第一实施例；
图2所示的是说明图1中发电机主要部件的透视图；
图3所示的是一个根据上述第一实施例的发电系统的电路图；
图4所示的是一个根据本发明的第二实施例的发电系统的电路图；
图5所示的是一个根据本发明的第三实施例的发电系统的电路图；
图6所示的是图5中所示的微型计算机的操作流程图；
图7所示的是一个根据本发明的第四实施例的发电系统的电路图；
图8所示的是一个根据本发明的第五实施例的发电系统的电路图；
图9所示的是微型计算机的操作流程图；
图10所示的是反映开始发电后所经过的时间、临界消磁电流与在不同环境温度下要提供给励磁线圈的最大励磁电流之间的关系的曲线圈；
图11所示的是反映开始发电后所经过的时间、临界消磁电流IFcr与发电机在不同的转速下要提供给励磁线圈的最大励磁电流IFmax之间的关系的曲线图；
图12所示的是反映按照第五实施例的发电机在不同的环境温度下，转速与最大输出电流之间关系的曲线图；
图13所示的是一个按照本发明的第六实施例的发电系统的电路图；
图14是第六实施例的微型计算机的操作流程图；
图15所示的是一个反映一个晶体管的门限控制电压与一个在按照第六实施例的发电系统的运行中的励磁线圈的电压降之间的关系的时序图；
图16所示的是反映占空比、在不同温度下未经控制的励磁电流与被控制在临界消磁电流以内的励磁电流之间的关系的曲线图；
图17是第七实施例中的微型计算机操作的流程图；
图18是一个反映按照第七实施例的发电系统的占空比D与励磁电流随励磁线圈的温度变化之间的关系的曲线图；以及
图19是反映按照第七实施例的发电系统的铁氧体磁铁的温度与励磁电流的临界消磁值之间关系的曲线图。
下面描述本发明的各优选实施例。
(第一实施例)
参照图1-3，我们来说明一个包含有一个按照本发明的第一实施例的发电机的电池充电系统。首先参照图1和2来说明一个由车辆引擎驱动的车载发电机1。
车载发电机1是一个三相同步交流发电机，它包括一个带有一个电枢(或定子)线圈6的定子芯200和一个安在定子200内的转子201。转子201包括一个旋转轴202、一对铁芯203和204(沿轴向并排安在轴202上)和一个绕在铁芯203和204中心的励磁线圈7。从前铁芯203伸出许多爪形极205，它们等间隔地分布在励磁线圈7的圆周上。从后铁芯204上也伸出许多爪形极206，也等间隔地分布于励磁线圈7的圆周上。当给励磁线圈7通上电时，爪形极205就充上磁，形成N极，爪形极206被充上磁，形成S极。
爪形极205和206被交错安置，一种爪形极正好位于另一种爪形极沿圆周间距的一半处。在相邻的每个爪形极205和206之间，都装有一个永久磁铁8，它们被用环形固定片207固定住。永久磁铁8与爪形极205相邻的那一边被磁化形成N极，而它与爪形极206相邻的那一边被磁化形成S极。在本实施例中，永久磁铁8是由铁氧体磁性材料制成的。给励磁线圈7加的电流由一个MOS管15控制，电枢线圈6中产生的电压由一个稳压器9稳压后供给一个电池4和一个电负载5。
参考数字2代表一个稳压器，它包括一个励磁线圈驱动电路2a、一个电压稳压电路26、一个防消磁电路2c和一个参考电压生成电路2d。稳压器2把输出电压稳压到一个适当的值，使之能通过励磁电流的通断来给电池充电。
励磁线圈驱动电路2a由一个N通道功率MOS管15、一个励磁电流检测电阻16和一个续流二极管23构成。MOS管15的漏极与稳压器9的输出端相连，其源极通过电阻16和励磁线圈7接地。
稳压电路26包括一个由电阻11和12串联而成的串联电路，在它们的连接处，该电路提供了一个电池电压的分压，还包括一个比较器13，它把该电池电压的分压与一个参考电压Vref1进行比较并通过与门14给MOS管15送出一个结果信号。如果与门的另一输入端有一个高电平信号，MOS管15就会受到比较器13的通断控制，进而控制励磁电流，使电池电压的分压能够与参考电压Vref1相等。
参考电压生成电路2d是一个恒压电路，它提供参考电压Vref1、Vref2、和Vref3，后面将对它们进行说明。
防消磁电路2c包括一个励磁电流限制电路、一个高转速检测电路(后面要说明)、一个或门22和一个与门14。
励磁电流限制电路由一个差分放大器17、一个二极管18、一个由电容器19和电阻20组成的并联电路和一个比较器21构成。差分放大器17对励磁电流检测电阻16上的电压降进行放大，并且把一个与励磁电流成比例的峰值电压通过二极管18加到电容器19上。在与励磁电流成比例的电压减小后，电容器19通过电阻20放电。二极管18、电容器19和电阻20构成一个保持输入电压的保持电路。
比较器21把电容器19的端电压(即与励磁电流成比例的电压)与参考电压Vref3进行比较，如果与励磁电流成比例的电压高于参考电压Vref3(励磁电流大于预定值)，比较器21就通过或门22给与门14加上一个低电平信号。
高速检测电路有一个包含由波形逆变器24构成的f-v转换器、一个电容器25、一个二极管26、一个电容器27、一个电阻28和一个比较器29。在电枢线圈6的一个相位端生成的电压被带有一个门限值的逆变器24变为一种被进二制编码的脉冲信号波形。电容器25对该脉冲信号进行微分，这样该信号的上升沿和下降沿就被转变为正脉冲信号和负脉冲，并且只有正脉冲信号才能通过二极管26加到一个由电容器27和电阻28组成的滤波电路上，该滤波电路给比较器29加上一个已稳压的直流电压。
电容器27的电压与发电机的转速成比例，比较器29把这个电压与参考电压Vref2进行比较。如果电容器27的电压高于参考电Vref2，则比较29就给或门22加上一个低电平信号，如果该电压比参考电压Vref2低，则比较器29就给或门加上一个高电平信号。当励磁电流一定时，电容器27的电压或发电机的转速与定子线圈6的输出电流有一个正的关系。
当发电机的转速和励磁电流都超过预设值时，或门22就给与门14加上一个低电平信号。换句话说，如果励磁电流和输出电流都变得高于或大于它们的预设值，MOS管15就被关掉，以限制励磁电流；如果励磁电流和输出电流二者中的一个超过上述与之对应的预设值，与门14就被加上一个高电平信号，这样励磁电流就可以完全控制在导电率为0％到100％之间，以把电池电压调整到一个合适的水平。
正如前面所描述的，如果励磁电流超过某与参考电压Vref3相对应的预设值，以及如果与转速相关的最大输出电流超过某与参考电压Vref2相对应的预设值时，就对励磁电流进行控制，使之不超过上述预设值。参考电压Vref2和Bref3按如下设置。
永久磁铁8的永远消磁程度与消磁场的强度有关，换句话说，就是与发电机在环境温度下的输出电流和励磁电流有关。参考电压Vref3所设的值与发电机不致引起永远消磁的最大励磁电流相对应，参考电压Vref2所设的值与发电机的某个转速相对应，在该转速时，带有上述励磁电流的发电机的最大输出电流不致引起永远消磁。
如果发电机的转速低，则输出电流就小，永久磁铁8就不会遇到能使它永远消磁的磁场强度，所以励磁电流和输出电流就可以不加限制地分别加给励磁线圈和电负载5。另一方面，如果发电机的转速超过某预设速度，因而输出电流增大到足以引起永久磁铁8永远消磁的程度时，就把励磁电流减小到甚至在环境温度下的最大输出电流时也不会引起永远消磁的程度，而随着励磁电流的降低，上述最大输出电流也会减小。
如果不对励磁电流和输出电流进行控制，或环境温度异常的话，永久磁铁8可会被永远消磁。上述电流控制会降低设计永久磁铁8时的自由度。
永久磁铁8最好是由铁氧体磁性材料制成的。这种由铁氧体磁性材料制成的磁铁将在-40℃到200℃的温度范围内使用，而它通常是在低于零度或零下20℃的低温下失去磁性的。本发明的实施例提供了一种通过调整电流常数(参考电压Vref2和Vref3)实现的对电流的简单控制，以便防止永远消磁。
(第二实施例)
下面参照图4来说明另一个实施例。
本实施例的电路与第一实施例基本相同，只是用防消磁电路2e代替防消磁电路2c。
防消磁电路2e由一个温度检测电路、一个高速检测电路、一个检测发电开始后所经过的时间的电路(以后称时间检测电路)、一个振荡电路104、一个或门105和一个与门14构成。
温度检测电路有一个连接二极管102，其负极接地，而正极则接着一个恒压源。正极电位与温度有一种相反的关系，并被比较器103把它与一个参考电压Vref4相比较。当二极管102加热到一定温度后，其正极电位变得低于参考电压Vref4时，比较器103就给或门105加一个高电平电压。包括二极管102的稳压器2被安在发电机1的外壳上。如果发电机1开始发电，永久磁铁8被转子的铁损与铜损加热了一阵后，二极管102的温度就增加了，这样比较器103的输出信号就由低电平变为高电平。其结果是，二极管102检测永久磁铁8的温度时有个延迟。
高速检测电路的结构和操作与第一实施例中的相同，故略去对其的说明。
时间检测电路包含一个比较器106，它把高速检测电路中的电容器27的电位与一个参考电压Vref5相比较。比较器106的输出端通过一个由电阻107和电容器108构成的串联电路接地。电阻107和电容器108构成一个积分电路，电容器108的高电位端给或门105加上一个比较器106输出电压的积分值。该积分电路是一个延时电路。如电容器27的电压变得高于参考电压Vref5，比较器106就电容器108充电，判断为发电开始。电容器108给或门105加上一个低电平信号，直到经过一个特定的延迟时间后，再给或门105加上高电平信号。
振荡器104以预定的周期给或门105加上一矩形脉冲。或门105只有在比较器103、29和电容器108都给与门105送低电平时，才给与门14加上上述矩形脉冲。其结果是，既便比较器13提供了一个高电平信号，MOS管15的占空比仍由该矩形脉冲决定。
总之，为了使或门105能够限制励磁电流，当二极管102检测到永久磁铁8的温度低于一个预设值时，比较器103就提供一个低电平信号(励磁电流限制信号)；当发电机的转速可能使其输出电流超过一个预设值时，比较器29就提供一个低电平信号(励磁电流限制信号)；并且电容器108在开始发电后经过特定时间的延时后也提供一个低电平信号(励磁电流限制信号)。
换句话说，在本实施例中，只有当由二极管102检测到永久磁铁8的温度低于一个预设值(如低于发电前的温度)，并且转速高于一段预设速度，使得输出电流会超过一个预设的量时，还得在开始发电后，经过一段预设的时间后，励磁电流才被限制。
在本实施例中，二极管102的电压和电容器108的电压与永久磁铁8的温度有关，或门105的门限电平是判断电容器108的电压的电平(一个当输出电流和励磁电流为最大时，不致引起永远消磁的电压电平)。
按照本实施例，在发电后的一段时间内，只有当二极管108的温度为低(即上次操作后的温度足够长)，且转速高于一个预设值(此时输出电压会超过一个预设值)时，才对励磁电流进行限制。所以，只有永远消磁可能发生时，才进行流控。这样就可以实现更频繁的满功率运转，而且不必为能在冷天气下运作而特别设计永久磁铁。
由电阻107和电容器108的构成的延迟电路所提供的延迟时间被设定为1-2分钟，在这段时间中，由缺氧体磁性材料制成的永久磁铁因铁损和铜损而变热的程度不需要对电流进行模拟。
参考电压Vref4与二极管的温度20℃相对应。当永久磁铁8的温度在这个温度左右时，不管延时电路为什么信号，都不对励磁电流进行限制。
设置参考电压Vref5的值的依据是要根据该值能判断转速是等于一个预设的速度还是等于发电开始时的速度。
(第三实施例)
下面参照图5和6来说明第三实施例。在本实施例中，稳压器2的主要部分由一个微型计算机300、一个多路复用器301、一个A/D转换器302和一个CMOS逆变器303构成，永久磁铁8由钕磁性材料制成。
温度检测电路与第一实施例一样，由电阻101和二极管102串联构成。温度检测电路的输出电压经多路复用器301和A/D转换器302接入到微型计算机300上，同时接入的还有电阻11和12构成的电池电压的分压电路的输出电压(或电池电压)Vb以及一个相位端的电池V。
下面参照图6所示的流程图来说明微型计算机300的操作过程。
在步骤S100中，读取发电机电压V、电池电压Vb和温度T。多路复用器301响应微型计算机300送来的选通信号，在一个短时间内送给微型计算机300代表发电机电压V、电池电压Vb和T温度的数字信号。步骤S100可以被添加作为一个在短时间内被有规律地执行的中断程序，发电机电压、电池电压和温度的三个平均值可以通过顺序得到的信号计算出来。由此也可以减少高频噪声。
在下一步骤S102中，通过发电机电压V和电池电压Vb来计算输出电流。
更详细地说，发电机电压V被电阻11和12分压后得到一个分压(以后就称之为发电机电压V)。发电机电压V与电池电压Vb的差(V-Vb)与稳压器9的高边二极管(high-side diode)的电压降与如果发电机电压的值(如0.65V)大于电池电压时线310的电压降二者之和相等。差值(V-Vb)与发电机1的输出电流紧密相关。这个关系被预先存在一个存储器中，以便根据差值(V-Vb)获得输出电流。
在下一步骤S104中，根据温度T和输出电流I得出MOS管15的占空比。
如果由输出电流I和励磁电流IF产生的反磁场强度超过了永久磁铁8的临界消磁强度，就会被永远消磁，上述临界消磁强度随温度而变化。所以，输出电流I、温度T和对应于能引起永远消磁的励磁电流的MOS管15的最大占空比Dmax三者间的关系就预先被作为一张表存在一个存储器中。这样最大占空比Dmax就可根据输出电流I和温度T来获得。
在步骤S106中，检查电池电压Vb是否低于参考电压Vref1，如果结果为YES，就设置占空比D小于Dmax’(它等于Dmax-ΔD)；否则，占空比就被设置为0，且该占空比在步骤S112中被加到一个寄存器(图中未画出)中。ΔD按照一个测试结果来设置。微型计算机300给MOS管15的门加上一个带有占空比D的PWM信号。
由此就能实现对励磁电流的控制，使受控的励磁电流小于临界消磁电流。
本发明可以用到一个串励式发电机上，在该发电机中，永久磁铁的极和励磁线圈的极被沿轴向并排着装在一起，这样两种类型的极所产生的磁通量就可以把一个公共的电枢线圈分别地链接起来。
在串励式发电机中，对励磁电流进行限制，以便改变输出电流，进而限制会使永久磁铁永远消磁的外磁场。
发电机的输出电流可以被直接检测，并且可以被控制在一个不致引起永远消磁的水平上。
对永久磁铁8的温度进行检测和估算，以便限制励磁电流或输出电流。
上述各实施例可以与另一个限制电流的装置相结合，诸如把励磁电流限制在一个从热击穿来讲是最大的电流内或限制励磁电流的涌流。
(第四实施例)
下面参照图7来说明第四实施例。
本实施例是要通过限制一个永久磁铁发电机的输出电流来防止该发电机中永久磁铁被永远消磁。参考数字300a代表一个防止消磁的电路。
永久磁铁发电机的电枢线圈6的输出电流被一个三相全波稳压器稳压后，通过一个NPN发射极跟随器晶体管301a及一个反向电压保护二极管302a提供给电池4和电负载5。
参考数字303a-306a代表对上述二极管的电压降进行分压的电阻。上述电压降的分压经一个差分放大器307a放大后，由一个比较器308a把它与一个参考电压Vref6相比较。比较器308a的输出经一个RC低通滤波器309a加到一个发射极接地的晶体管310a的基极上，上述滤器309a对上述308a输出稳定作用，以便晶体管310a能控制晶体管301a的导通与截止。晶体管301a的基极电流被通过一个电阻311a来提供。参考数字312a和313a代表用来设置将要运作的晶体管的电阻。一个恒压电路2d给差分放大器307a和比较器308a提供一个恒定电压的电能。
二极管302a的电压降与输出电流Ia有关。如果二极管302a的电压降超过了一个预设的与参考电压Vref6相对应的值时，比较器308a就提供一个低电平信号。参考电压Vref6是预先决定的，使得输出电流不会超过一个会引起永远消磁的值。由此，晶体管310a就导通，而晶体管301a截止，使输出电流Ia中断一段时间，这个时间由低通滤波器309a决定。
这样，既使电枢线圈6的磁通势与永久磁铁的矫顽磁力相比是很大的，或者即使由于某些故障诸如短路等引起的大电流流过，也能防止永远消磁的发生。
在上述电路中，低通滤波器309a可以省掉。如果三相全波稳压器9中的某些或全部二极管都被操作能代替晶体管301a执行开关作用的晶体管的话，则晶体管301a和二极管302a也可省掉。
通过检测永久磁铁8的温度和输出电流Ia对输出电流Ia进行限制是有可能的。
(第五实施例)
下面结合图8-12来说明另一个实施例。
在本实施例中，图5中所示的某些部分被改变了。一个与被电容17检测的励磁电流相对应的电压、一个与转速相对应的电容器27的电压、一个与温度相对应的二极管102的电压降被一个前面已参照图3和4说明过的电路通过多路复用电路301b和A/D转换器302接入到微型计算机300上。微型计算机300通过逆变器303来控制MOS管15，进而以通断方式控制励磁电流。
下面参照图9所示的流程图来说明微型计算机300的操作过程。
在步骤S200中，读取电池民电压Vb、温度T、发电机的转速Na和励磁电流IF。
在下一步骤S202中，把T温度和转速Na与一张已被预先存起来的表相对照，以便能获得一个可允许的最大励磁电流IFmax，该IFmax小于一个在上述温度T和转速Na会引起永远消磁的临界消磁电流Ifcr。
在下一步骤S204中，把励磁电流IF与最大可允许励磁电流IFmax相比较。如果上述励磁电流IF大于最大可允许励磁电流IFmax，则用于以PWM方式控制励磁电流的晶体管15的占空比就会被降低到一个预设的值，而不论电池电压Vb的值是多少(S210)。否则，把电池电压Vb与一个参考电压Vref1相比较(S206)。如果电池电压Vb高于参考电压Vref1，则减小占空比D(S210)。否则占空比D就被增加(S208)。
上述程序被重复执行，以便把励磁电流(小于最大允许励磁电流IFmax)维持在一个在温度T和转速Na下不致引起永远消磁的水平内。其结果是，励磁电流IF可以随着最大可允许励磁电流IFmax的改变而改变，这样通过最终对励磁电流IF的控制就可以防止消磁的发生。
图10所示的是一幅当转速为3000rpm(为一常数)，环境温度被分别设为25℃、-20℃和-40℃时，显示发电开始(开关接通时)后所经过的时间t与最大可允许励磁电流IFmax以及临界消磁电流IFcr之间关系的曲线图。永久磁铁8由铁氧体磁性材料制成。一条粗虚线和一条粗点划线分别表示了在环境温度为-20℃和-40℃时被上述操作所限制的最大可允许励磁电流。
图11所示的是一幅当转速Na分别为1500rpm和3000rpm，温度T为-40℃时，显示发电开始后所经过的时间t和最大可允许励磁电流IFmax以及临界消磁电流IFcr之间关系的曲线图。永久磁铁8由铁氧体磁性材料制成。一条粗虚线和一条粗点划线分别代表在转速为1500rpm和3000rpm时被上述操作所限制的最大可允许励磁电流Ifmax。
因为永久磁铁8在发电机1运转后是逐渐被加热的，所以在开始运转后的一段时间里，励磁电流是不用控制的。
如在图10和11中所示，最大可允许励磁电流IFmax在温度较高的范围内，其值变得更大，如果在冷温度下的励磁电流能被限制在最大可允许电流IFmax之内，则永久磁铁8的尺寸就可以更小，或发电机1的输出功率可以增大得更多。甚至当励磁电流被励磁电流限制电路控制时，励磁电流IF也足够使发电机1在空载速度下给电池S充电。在发电机1开始运作后的很短几分钟内，其输出功率会迅速地增加。励磁电流(IF在图10和11的右边就等于IFmax会随着时间而逐渐增加，如图10和11所示，因为励磁线圈的电阻会随着温度的上升而增加。
图12所示的是发电机转速Na和最大输出电流Imax之间的关系。
曲线L1表示当温度为25℃，且已达到了永远消磁控制时，转速Na和最大输出电流Imax之间的关系；曲线L2表示当温度为-20℃，且已进行了永远消磁控制时，转速Na和最大输出电流Imax之间的关系；曲线L3表示当温度为25℃，但未进行永远消磁控制时，转速Na和最大输出电流Imax之间的关系；而曲线L4则表示当温度为-20℃，但未进行永远消磁控制时，转速Na和最大输出电流Imax之间的关系。
从图12可以明白，不进行永远消磁控制以便防止消磁的发生的曲线L4是不会高于曲线L2的。
这就是说，一个发电机不进行永远消磁控制的输出电流要小于进行控制的输出电流，因为随着永久磁铁温度的上升，最大可允许励磁电流是不会增加的。换句话说，如果把在冷温度下，没有控制的发电机的励磁电流设置得如有控制的发电机的励磁电流一样大，则永久磁铁就可能会被消磁，因而输出电流也会大大减少。没有控制的发电机的输出电流还会因温度升高和励磁线圈电阻的增大而减少。
(第六实施例)
下面参照图13来说明本发明的第六实施例。
在本实施例中，图8所示的第五实施例中的温度检测二极管102、电阻101、检测转速的逆变器24、电容器25和27，二极管26和电阻28都被省去。永久磁铁8由铁氧体磁性材料制成。
下面参照图14所示的流程图来说明这个电路的操作过程。
在步骤S301中执行初始设置，把晶体管15的占空化设为25％。接着在步骤S302中读取电池电压Vb。使晶体管15能进行PWM控制的载频、晶体管15的门控电压Vc的频率以及励磁线圈驱动电压Vr三者都要足够高，以使能跟上如图15中所示的励磁电流IF的变化，占空比D的值被设置为一个即使在温度为-40℃时励磁电流不致引起永远消磁的值。
在下一步骤S303中，根据电池电压Vb和参考电压Vref之间的差与一个常数K1的乘积来计算占空比的第一补偿值ΔD1。接下来从预先存储的一张表中选出与当前占空比D相对应的最大可允许励磁电流(S304)。
下面说明上述表的占空比D和最大可允许励磁电流之间的关系。
励磁电充的平均值IF、最大(未经控制的)励磁电流IF’max励磁线圈的电压降Vr、励磁线圈(铜线)的电阻r、励磁线圈在温度为20℃时的电阻ro、温度t之间存在着以下关系：
IF/D＝IF’max＝Vr/r
r＝ro·(234.5+t)/(234.5+20)
铁氧体磁铁的温度与最大可允许励磁电流IFmax之间的关系可表达如下：
IFmax＝0.06·t+4.18安培(A)
IFmax＝(15.27/ro·Vb·D)+(9.27/2)2-9.27/2安培(A)
即，被控制的励磁电流被按照一个占空比D的线性函数给出。
比较器17检测当前励磁电流IF(S305)并把它与最大可允许励磁电流IFmax相比较(S306)。如果当前励磁电流IF大于最大可允许励磁电流IFmax，就在步骤S307中根据一个常数K2与差值(IF-IFmax)的乘积来计算占空比的第二补偿ΔD2接着执行步骤S309。否则就从占空比D中减去第一补偿ΔD1以便减少励磁电流IF(S308)。
在步骤309中，对第一和第二补偿值ΔD1和ΔD2进行比较，选出较大者，它将从占空比D中减去，这样就能获得控制晶体管15的下一个占空比(S310)。
由此，就可以根据当前占空比D(S304)精确计算出在不同温度下的最大可允许励磁电流Ifmax。
如果当前励磁电流大于最大可允许励磁电流IFmax，就把第一和第二补偿值ΔD1和ΔD2中的较大者从当前占空比D中减去。第一补偿值是一个与电池电压Vb和参考电压Vref之差相对应的数值，第二补偿值ΔD2是一个与励磁电流IF和最大可允许电流Ifmax之差相对应的值。
输出电压总是被稳压为标准的电池电压，而不管励磁是否被控制到了最大可允许励磁电流Imax之内。
图16是一个显示占空比D和在不同温度下的实际励磁电流以及最大可允许励磁电流IFmax之间关系的曲线图。这里，励磁线圈的电压降Vr为12V，它在温度为20℃时的电阻为200欧姆。
(第七实施例)
下面参照图17来说明本发明的另一个实施例。
本实施例的主要特征体现在步骤S401-S403中，它们替代了图14中的步骤S304，在S304中，只根据占空比D来计算最大可允许励磁电流。
这就是，励磁线圈的电阻r根据以下表达式算出(S401)：
r＝Vr/IF/D
励磁线圈(由铜线制成)的温度可根据它的当前电阻r和它在温度为20℃时的电阻ro标出(S402)。因而，电阻值按以下表达式得到：
r＝ro·(234.5t)/(234.5+20)
通过在一张存在存储器中的反映铁氧体磁铁的温度与最大可允许励磁电流Imax之间的关系的表中查找在步骤S402中得到的励磁线圈的温度t(或转子温度)，就可以从该表中读取最大可允许励磁电流。
通过一个简单的步骤，就可以根据励磁线圈的电阻决定最大未控制励磁电流IF’max。
图18是一个显示占空比D与励磁线圈处于不同温度时的励磁电流之间的关系的曲线图，其中励磁线圈的电压降为12V，它在温度为20℃时的电阻为2.3ohm。
图19是一个显示铁氧体磁铁的温度与最大可允许励磁电流之间关系的曲线图。
在前面对本发明的说明中，已经参照着具体的实施例对本发明进行了说明。然而，很明显，在本发明的具体实施例中，会有一些不同的、不背离本发明的载于附加的权利要求中的基本精神和范围的修改和改变。所以，本文件中的说明应当被看作是说明性的，而不是限定性的。

Claims (29)

1、一个发电系统包括：
一个发电机(1)，它包括第一装置(7，8)，该装置提供一个其中有一个永久磁铁(8)的磁场及一个电枢线圈(6)；及
一个第二装置(图3中的2c，图4中的2e)，用来把上述磁场控制在一个不致引起上述永久磁铁(8)永远消磁的量内。
2、如权利要求1中所述的发电系统，其中：
上述第一装置(7，8)还包括一个励磁线圈(7)，和
上述第二装置包括用来检测与上述永久磁铁的上述永远消磁相关的指示的第三装置(16-21，24-29)和一个电流限制单元(14，15，105)，它被用来根据上述指示对提供给上述励磁线圈(7)的励磁电流进行限制。
3、如权利要求2的发电系统，其中：
上述第三装置(16-22，24-29)包括用来检测上述永久磁铁(8)的温度的装置(102，103)，和
上述电流限制单元(14，15，105)当环境温度变低时减小上述励磁电流。
4、如权利要求3的发电系统还包括一个稳压器，其中上述第三装置(16-21，24-29)包括检测安在上述发电机(1)上的稳压器的温度的装置。
5、如权利要求3的发电系统，其中：
上述第三装置(16-22，24-29)包括检测上述发电机(1)开始发电后所经过的时间的装置(图4中的106-108)。
6、如权利要求5中的发电系统，其中：
上述永久磁铁(8)被安在上述励磁线圈(7)所产生的磁场中。
7、如权利要求6的发电系统，其中：
上述永久磁铁(8)被安装的目的是要用来提高链接上述电枢线圈(6)的有效磁通量。
8、如权利要求6的发电系统，其中上述第三装置(16-22，24-29)包括检测提供给上述励磁线圈(7)的电流的装置(300)。
9、如权利要求1中的任意一项的发电系统，其中：
上述永久磁铁(8)给上述电枢线圈(6)提供有效磁通量。
10、如权利要求6的发电系统，其中：
上述第三装置(16-22，24-29)包括检测上述发电机(1)的输出电流的装置(302a)，和
上述限流单元(14，15，105)当上述输出电流增大时减小将要提供给上述励磁线圈(7)的上述电流。
11、如权利要求10的发电系统，其中：
上述第三装置(16-22，24-29)包括检测上述发电机(1)的转速的装置(24-29)，和
上述限流单元(14，15，105)当上述转速增大时减小将要提供给上述励磁线圈(7)的电流的量。
12、如权利要求1的发电系统，其中：
上述发电机(1)是一个车辆用交流发电机。
13、如权利要求1的发电系统，其中上述限流单元(14，15，105)把将要提供给上述励磁线圈(7)的电流限制在一个在高温条件下运转的发电机(1)的最大励磁电流以内。
14、如权利要求2的发电系统，其中上述限流单元(14，15，105)包括一个开关(15)，用来根据上述指示对上述励磁电流进行通断控制。
15、如权利要求14的发电系统还包括一个稳压器，其中：
上述稳压器(2a，2b)包括上述开关(15)，还通过控制上述开关15的占空比来把上述发电机(1)的输出电压控制到一个预设值；
上述第三装置(16-22，24-29)检测上述励磁电充和上述占空比；和
上述限流单元(14，15，105)按照上述占空比把上述励磁电流限制在一个能防止永远消磁的上述励磁电流的最大值以内。
16、如权利要求15的发电系统，其中：
上述限流单元(14，15，105)把上述占空比的增长速度限制在一个上述励磁电流的增量以内。
17、如权利要求15的发电系统，其中：
上述永久磁铁(8)是由在低温下失去磁性的材料制成的。
18、如权利要求15的发电系统，其中：
上述限流单元(14，15，105)根据上述占空比和上述励磁电流来限制上述励磁电流。
19、如权利要求18的发电系统，其中上述检测一个量的装置包括用来当上述开关接通时检测上述励磁线圈(7)的电压降的装置，和
上述限流单元(14，15，105)按照从上述占空比计算出的温度、上述励磁电流和上述电压降来限制将要提供给上述励磁线圈(7)的上述电流。
20、如权利要求9的发电系统，其中上述永久磁铁(8)是由在低温下失去磁性的材料制成的，和
当上述所计算出的温度越低时，上述限流单元(14，15，105)就把上述励磁电流减少得越多。
21、如权利要求17的发电系统，其中：
上述励磁电流被设置为一个在最低使用环境温度下也不会使永久磁铁(8)永远消磁的量，并且上述发电机(1)以一个预设的转速产生输出电流。
22、如权利要求21的发电系统，其中上述预设转速是上述车辆引擎的空载转速。
23、如权利要求17的发光系统，其中：
上述励磁电流小于上述发电机(1)在最高运行温度下的最大励磁电流。
24、如权利要求15的发电系统，其中：
上述限流单元(14，15，105)对上述占空比的增长速率进行限制，以便能防止因从上述励磁线圈(7)到上述永久磁铁(8)的热传导的延迟而引起的永远消磁。
25、一个发电系统包括一个具有一个永久磁铁(8)和一个电枢线圈(6)的发电机(1)，上述发电系统包括：
一个限流单元(14，15，105)，用来把电枢线圈(6)的电流限制在一个不致引起永远消磁的可允许的量以内。
26、一个发电系统包括：
一个发电机(1)，它含有用于提供具有极(205、206)的磁场的第一装置(7)、励磁线圈和永久磁铁(8)及电枢线圈(6)；及
第二装置(2c，2e)，用来控制所述的磁场处于一个不致引起上述永久磁铁(8)永远消磁的量内；上述第二装置(2c，2e)包含一第三装置(16-21，24-29)，用来检测与上述永久磁铁(8)的永远消磁有关的指示，还包含一个限流单元(14，15，105)用来根据上述指示限制要提供给上述励磁线圈(7)的励磁电流；其中：
上述永久磁铁(8)安装在上述两极(205，206)之间。
27、如权利要求26的发电系统，其中：
上述两极(205，206)包括爪形极；所述的永久磁铁(8)与上述励磁线圈(7)并列安装。
28、如权利要求27的发电系统，其中：
上述永久磁铁(8)安装在相邻的两个上述爪形极(205，206)之间。
29、如权利要求28的发电系统，其中上述第三装置包括用来检测上述永久磁铁(8)的温度的装置；及
上述限流单元(14，15，105)当上述温度降低时减少上述励磁电流。
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