CN1296662A - 同步交流电机的转子控制 - Google Patents

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Abstract

一种AC电机,包括一由频率和电压不稳的AC电源供电的电动机;一受该电动机(22)驱动、提供频率和电压恒定的AC输出信号的发电机,该发电机(24)包括:一转子,该转子(22)上有一层可再磁化、较高矫顽磁性材料;一定子(4),该定子用软磁性材料制成,其上有一磁极,该磁极上有一励磁线圈,该定子和转子(22)通过一气隙相对转动,从而励磁线圈中的电流在该可再磁化层上生成转子磁极;以及一控制信号发生器,该控制信号发生器响应AC输出电压和一代表励磁线圈中的电流的信号的至少之一生成波形经编程的脉冲,该脉冲的宽度、相位和大小的至少之一可改变,从而在该不稳定AC电源供电过程中改变转子磁极,保持AC输出信号的频率和电压恒定。

Description

同步交流电机的转子控制
1、发明领域
本发明涉及交流(AC)同步电机，特别涉及对同步交流电机的转子磁极进行控制而形成不间断电源。
2、现有技术
现有同步交流电动机或发电机的转子包括数量固定的一对对磁极，其表面形状一定。同步交流发电机的输出频率只决定于转子的转速和磁极的数量。输出电压的相位决定于转子的瞬时位置，波形决定于转子磁极面的形状、绕组在定子中的布置、定子中的相位差和负载特性。这些电机的转子的磁极上可用绕组生成电磁场或用永久磁铁生成转子磁场。如转子磁极上使用绕组，改变转子磁极绕组中的直流电大小即可改变生成的电压或电动势(“E.M.F”)。如该绕组中的电流增加，发电机的输出电压就增加，而在电动机的情况下，则造成输入功率因数更超前。如转子磁极使用永久磁铁，转子结构变得简单，但磁场控制困难。
频率、电压、相位受控的一种电机见US4,177,414，该专利公开了一种发电系统，该发电机系统生成选定的频率和电压恒定的正弦波AC。一转动主发电机生成选定的频率恒定的正弦波AC电位。至少另一个转动副发电机生成频率与主发电机相同的正弦波AC。主发电机的AC电位输出与副发电机的输出串联。电装置使副发电机的AC电位输出与主发电机的AC电位输出之间有一相位差，该相位差使得这两个串联发电机的总AC电位为电压选定的正弦波AC。主发电机的转子和副发电机的转子各有至少一个由高导磁率软磁性材料制成的铁心。铁心的表面上有一层高矫顽可再磁化硬磁性材料，一定子与铁心并置。每一定子有一由高导磁率、低损耗软磁性材料制成的铁心，铁心表面上有槽。定子铁心的槽中有一励磁线圈。励磁线圈用频率与该选定频率相同的AC电位励磁。因此，该转动铁心上的该层硬磁性材料被相邻励磁线圈磁化成与励磁线圈的AC电位对应的磁场型。当被磁化铁心相对定子转动时定子铁心其余槽中的初级绕组生成AC电位。相位移装置使得励磁副发电机定子中的励磁线圈的AC电位与励磁主发电机中的励磁线圈的AC电位之间保持一定的相位差。因此，主发电机和副发电机定子中的初级绕组生成的AC电位的相位差使得所得的组合AC电压为选定电压。
对上述专利作出的一种改进见US4,663,536，该专利公开了一种体积较小、运行平稳的高效电动机-发电机不间断电源(NIPS)，其中，用一AC电源对一驱动电动机供电，该AC电源的电压可不稳定，甚至可时断时续。但是，即使该AC电源把可用AC供给该驱动电动机时电力中断时间达数秒之久，该发电机向一负载供电的频率和电压仍可始终保持恒定。该NIPS包括一支撑底座上的一同步电动机和一AC发电机。该同步电动机的定子装在一固定轴上，由AC电源供电，生成一转动磁场。该电动机的转子围绕其定子，可与驱动该AC发电机的转子的转动磁场同步地转动。该AC发电机有一转动惯性很大的转子。该转子有一可转动圆柱形壳体件，该壳体件可围绕轴转动地安装在该支撑底座的轴承上。该壳体件的内壁上至少粘贴有软磁性材料。该软磁性材料上有一层可再磁化高矫顽(硬)磁性材料，其圆柱形外表面与该壳体件的转动轴线同轴。该发电机还有一定子，定子的固定轴固定在支撑底座上，定子沿转子的轴线位于转子内部。该固定轴上至少粘贴有低损耗软磁性材料，其带槽表面与硬磁性材料层并置并等长，该带槽表面与该硬磁性材料层之间有一气隙。定子的两个槽之间有一磁极，一励磁线圈套在该磁极上。当一控制装置的单相AC励磁该励磁线圈时，该磁极生成极性交替变化的一强大磁通。因此，该并置的硬磁性材料层在南北交替的磁极中转动时被磁化。该定子的其余槽中有一反馈绕组和AC发电绕组。最后，定子中有连接反馈绕组与励磁线圈的电路，从而当转子同步转动时，该励磁线圈中由该层中磁化磁极的通过所生成的AC电位受这些磁极在反馈绕组中生成的AC电压的抑制。
该支撑底座包括一外壳，转动惯性很大的转子壳体件装在该外壳中。该壳体件分成若干段，其中的一段上粘贴有电动机转子部件，另一段上粘贴有发电机转子部件。支撑电动机定子和发电机定子的轴位于该圆柱形壳体件中。这两个定子各与其转子部件并置和对齐。轴承件把该圆柱形壳体件支撑成可围绕该轴转动。柔性安装装置在该外壳中弹性支撑轴承件和该轴。
US4,663,536通过向发电机励磁线圈提供一频率精确受控的正弦波驱动电流对AC电机进行控制。该控制电流在转子的硬磁性材料层中磁化或生成一每秒磁极比率恒定的磁场，从而当转速变化时控制该电机的输出频率。通过该控制信号的移相来控制该电机的输出的相位。为变动现存转子磁极的极性，该控制正弦波电流的大小必须达到一最小值。这使得新磁极边与励磁电流之间出现一般为30°-60°的滞后，具体的滞后大小视励磁电流的值而定。这还使得励磁电流的均方根(“rms”)比在转子上生成其余磁极所需的值大。
因此，人们早就感到需要有一种AC同步电机，它使用结构简单的永磁转子，但可从外部与转速无关地控制输出电压或电动势、频率、相位和磁极形状，使得该电机可运行在各种不同转速下。
特别对于某些应用场合，在电机运行时最好能分别改变各转子磁极的相对磁场强度。
在电机运行时最好从外部控制转子磁极，无需过高的励磁电流均方根。
最后，最好能结合使用成本较低的磁极固定的永久磁铁转子与磁极受控的转子结构，从而只需要控制所生成的EMF。
本发明概述
本发明涉及一种AC电机，它包括一AC电机转子，其上有一层可再磁化高矫顽(硬)磁性材料。还提供一种AC电机定子，该定子用低损耗软磁性材料制成，其上有一磁极片，一励磁线圈装在该磁极片上，用于生成一受控激励磁场。该定子与该转子相对转动，带有一间隙，使得通过电流激励励磁线圈而在该层可再磁化硬磁性材料中生成转子磁极。用一控制信号发生器响应至少一个输入信号而生成其波形经编程的脉冲，该脉冲的相位、宽度和大小根据需要可变，从而改变转子磁极，从而控制该AC电机的电特性。该控制脉冲发生器中最好使用计算机。
在一实施例中，该电机的转子有第二层可再磁化硬磁性材料，一第二定子上有第二磁极片，该第二磁极片上有第二励磁线圈。第二定子与转子的相对转动使得通过电流激励第二励磁线圈而在第二层可再磁化硬磁性材料中生成第二组转子磁极。
在一实施例中，该电机为一AC发电机，受控的电特性可为AC输出电压或频率或电压与频率。当该电机为一AC发电机时，该控制脉冲发生器最好响应一个或多个代表AC输出电压的反馈信号、一代表激励励磁线圈的电流的反馈信号、电机状态、一转子位置传感器输出的同步信号；受转动转子永久磁极励磁的一定子绕组输出的一同步信号。
此外，该电机构成使控制信号发生器所生成的脉冲用来选择性地(1)重形成转子磁极的超前和/或滞后边；(2)用来选择性地重形成一转子磁极的一部分；(3)生成脉冲以改变转子各磁极的相对位置；(4)生成脉冲以在转子的不同转速下保持每秒的磁极比率恒定；以及(5)生成大小变化的脉冲，用来调制该转子上的该层可再磁化硬磁性材料的相对磁场强度。
在另一实施例中，该电机为一AC发电机，它包括一把AC输出转变成DC输出的整流器电路。此时，该控制信号发生器最好构成使可通过生成大小变化的脉冲，调制转子上的该层可再磁化硬磁性材料的相对磁场强度，从而调节DC输出。
在另一实施例中，该电机为一AC电动机，受控的电特性为输入功率因数。此时，控制脉冲发生器响应一代表例如电机的输入功率因数的一合适因数、电力线频率和相位或此两者的合适反馈信号。当所要控制的是功率因数时，控制信号发生器生成大小变化的脉冲来调制转子上的的该层可再磁化硬磁性材料的相对磁场强度。本发明还涉及以如上所述的方式控制输入功率因数的一种方法。
本发明还涉及一种控制上述AC电机的方法。该方法包括下列步骤：向励磁线圈提供波形经编程的不同脉冲来改变转子磁极；以及根据需要改变脉冲的宽度、相位和大小中的至少一个，从而改变转子磁极，从而控制该AC电机的电特性。
当该方法用于一用作AC发电机的AC电机时，受控的电特性为AC输出电压的大小、相位、频率或它们全部。该方法还包括下列步骤：响应代表至少一个AC输出电压的至少一个反馈信号、代表励磁线圈中的励磁电流的反馈信号、电机状态、一转子位置传感器输出的同步信号、受转动永久转子磁极激励的一定子绕组输出的同步信号、以及(如AC输出由一整流器电路转换成DC输出)一经整流的DC输出电压及其关联脉动分量来改变脉冲。该方法进一步包括下列步骤：用控制信号发生器生成脉冲用于(1)选择性地重形成转子磁极的超前和/或滞后边；(2)用控制信号发生器生成脉冲用于选择性地重形成一转子磁极的一部分；(3)用控制信号发生器生成脉冲以改变转子中各磁极的相对位置；(4)用控制信号发生器生成脉冲以在转子的不同转速下保持每秒磁极比率恒定；以及(5)用控制信号发生器生成大小变化的脉冲用于调制该转子上的该层可再磁化硬磁性材料的相对磁场强度。
附图的简要说明
图1为一可使用本发明改进的转子磁极控制的AC电机在一对称轴一边上的纵向剖面图。
图2为沿图13中2-2线剖取的剖面图，示出该AC电机的发电机的固定磁极转子部。
图3为沿图1和13中3-3线剖取的剖面图，示出该AC电机的发电机的磁极受控转子部。
图4为沿图1和13中4-4线剖取的剖面图，示出该AC电机的电动机部。
图4A为沿图1中4A-4A线剖取的剖面图，示出该AC电机的电动机部中的第二定子。
图5为沿图1中5-5线剖取的剖面图，示出该AC电机的发电机的固定磁极部。
图6示出US4,663,536所述励磁电流和所得转子磁极。
图7为用来说明该AC电机中的转子永磁材料的第二象限磁滞回线的第一曲线图。
图8为用来说明该AC电机中的转子可再磁化硬磁性材料的第二象限磁滞回线的第二曲线图。
图9示出按照本发明减小激励功率、改进控制的励磁控制电流和所得转子磁极的磁场强度、位置和形状。
图10示出AC电机在同步转速下的励磁电流和所得转子磁极。
图11示出在同步转速下调制电压和磁极磁场强度的励磁控制电流。
图12为一按照本发明提供编程控制电流的驱动电路的方框图。
图13为一可使用本发明改进的转子磁极控制、其输出经整流的AC电机在一对称轴一边上的纵向剖面图。
对优选实施例的详细说明
本发明转子磁极控制系统是对US4,663,536所述那种控制系统的改进，它向用作NIPS的AC电机的励磁线圈提供频率受到精确控制的正弦波驱动电流。图1和3-5示出一与US4,663,563所述类似的用作NIPS的AC电机，只是控制系统按本发明改进。首先参见图1，一机架1用作一转子磁极受控的电动机22、一转子磁极受控的发电机24和一固定磁极辅助发电机33的外壳。该电动机22包括一电动机转子壳体16、电动机初级定子10、电动机次级定子28、电动机可再磁化硬磁性材料层9、转子高导磁率层12和电动机绕组23。该发电机包括一发电机转子和发电机定子组件，该发电机转子包括发电机可再磁化硬磁性材料层2、转子高导磁率层18、转子壳体3，该发电机定子组件包括定子4、定子支撑8和定子绕组13。电动机和发电机的转子经轴承7围绕轴5转动。机架或外壳的两端用端盖6盖住。
图3为沿图1中3-3线剖取的图1电机的剖面图。如图所示，发电机定子4装在支撑8上，定子4用低损耗软磁性材料制成，其上有一个或多个磁极片19。发电机绕组13绕制在定子4表面上的槽中。励磁线圈14装在磁极片19上，生成一受控励磁磁场。定子4的各部分最好有其自身的励磁线圈12。发电机定子4和磁层2通过一气隙相对转动，使得通过电流激励励磁线圈1而在可再磁化硬磁性材料层2上生成转子磁极。
图4为沿图1中4-4线剖取的剖面图，示出该电机的电动机部。图1的电动机初级定子10装在支撑8上，该电动机定子用低损耗软磁性材料制成，其上有一磁极片21。电动机绕组23绕制在电动机初级定子10表面上的纵向槽中。一电动机主励磁线圈15装在电动机磁极片21上，生成一受控励磁磁场。如图4A所示，次级定子28上也有一磁极片21，其励磁线圈槽与图4中的励磁线圈槽对齐，从而主励磁线圈15绕制在相邻两定子上。主励磁线圈15在电动机加速到同步转速的过程中用来控制电动机初级定子10和次级定子28的转子磁极。主励磁线圈15最好伸展在定子10、28的纵向上。电动机的定子10、28通过一气隙相对磁层9转动，使得通过电流激励主励磁线圈15而在可再磁化硬磁性材料层9上生成转子磁极。
应该看到，本文使用的励磁磁极片可为图3磁极片19那样的集中设计，也可为图4磁极片21那样的分布设计。可视电机的不同性能要求使用这两种设计。图4的分布设计的制造成本低，但磁场强度和磁极边确定方面的性能差。因此，尽管在电机的发电机部24最好不使用分布设计，但在电动机部22可使用分布设计而对性能的影响不大。不过，重要的是，本发明并不受此限制，应该看到，电动机和发电机中可使用这两种磁极片中的任一种。
图5示出向本发明所使用的励磁控制电路供电的一固定磁极辅助发电机33。磁性材料17具有图7所示典型的磁特性。该磁性材料的矫顽力很大，一般在装配前磁化。磁性材料17可为多种公知高能铁氧体陶瓷磁性材料中的任一种。但是，本发明并不受此限制，而可根据具体应用场合使用更高能的材料。例如，这类材料可包括在高能磁性材料中公知的SmCo5、RSm2O17或NdFeB。
如图5所示，固定磁极辅助发电机33最好包括一固定磁极定子32和一永磁层17。但是，本发明并不受此限制，固定磁极辅助发电机33也可使用下文所述磁极受控发电机。
图1所示电机中使用的磁性材料2具有图8所示典型磁特性。该磁性材料的矫顽力的值使得电机运行过程中很容易用所示励磁线圈对该磁层进行磁化或再磁化。矫顽力的值最好选择成可有效重形成转子磁极，同时电机可保持满载运行，该磁层不被定子绕组电流退磁。
图1电动机22可运行在单相或三相AC配电系统上，驱动与输出发电机24的转子壳体3连接的高导磁率层12和转子壳体16。由于电动机的壳体16和层12的惯性很大，加上发电机的转子壳体3和高导磁率层18的惯性也很大，因此电动机22电力中断时输出功率可保持5-10秒或以上的时间，从而保护临界负载不受干扰。电动机22通常使用专利申请WO95/34117所述磁极受控电机。
按照本发明一优选实施例，使用图12那类一个或多个控制信号发生器驱动通过发电机和电动机励磁线圈14和31的电流。可用控制信号发生器12驱动电动机励磁线圈15，但最好用一共振电路或用WO95/34117或US4,663,536所示输入电力直接励磁电动机励磁线圈。如下文详述，该控制信号发生器响应至少一个输入信号生成波形经编程的脉冲，从而改变转子磁极，控制该AC电机的电动机部或发电机部的电特性。在该控制脉冲发生器中最好使用一计算机。应用于AC发电机
图1和3所示电机的AC发电机部的受控电特性可为AC输出电压、输出频率或这两者。如下所述，用来形成发电机磁层2上的磁极的经编程波形的宽度(或周期)、相位和大小可变，从而提供磁极所需变化和改动。一般来说，当发电机转速偏离同步转速或输出电压受负载影响时要求磁极作出这类变动。
US4,663,536所述控制电流在转子的磁层中磁化或形成一每秒磁极比率恒定的磁化型，从而当转速变动时保持发电机的频率输出受到控制。通过相移该控制信号可控制该发电机的输出电压的相位。重要的是，为改变发电机转子磁层上磁极的极性，US4,663,536所公开的本发明中的正弦波控制电流必须达到一最小值。如图6所示，这使得在如此形成的磁极边与励磁电流之间出现一般为30°-60°的滞后，该滞后的大小视励磁电流的值而定。这还造成励磁电流比在发电机转子上形成其余磁极所需的电流大。如减小励磁电流的这一滞后和均方根值，就可提高性能。如下所述，为此可使用图9所示经编程电流形状。还可实现其他优点。
在图9中，一可编程的励磁电流脉冲30的形状和周期选择成可根据发电机的转速变动选择性地改变形成在发电机磁层2上的磁极。在所示实施例中，用励磁电流脉冲30励磁发电机励磁线圈14而如图所示重形成磁极的边。用负电流脉冲激励励磁线圈14而重形成转子南磁极S的边，同时如图所示擦去相邻北磁极的滞后边。同样，用正电流脉冲励磁励磁线圈14而重形成转子北磁极N的边，同时如图所示擦去相邻南磁极的滞后边。
如下所述，励磁电流脉冲30在转子磁极的超前或滞后边处的宽度和位置决定于(1)转子相对于同步转速的转速；以及(2)转子的转速大于还是小于同步转速。在同步转速上，既可使用交替超前和滞后脉冲以保持良好的磁极形状。
当运行在同步转速下时，用图10所示波形在发电机磁层上建立起一组初始的转子磁极。此时建立起两个磁极。如发电机转子需要4个磁极，重复该周期，建立起第二对磁极，如此等等，视所需转子磁极数量而定。只要发电机转子的转速保持在同步转速下，磁极长度和位置可保持不变，只须如下所述用励磁控制输出电压。如转子磁极因电机严重过载或其他情况而退磁，按需要向发电机励磁线圈恢复或再施加励磁电流就可重新建立转子磁极。
如转子转速偏离同步转速，提供图9所示连续励磁电流以重形成发电机中的转子磁极边。从而在该新转速下保持磁极长度合适，使每秒磁极比率恒定。重要的是，由于磁极的磁场强度直接影响到输出电压，因此当转速偏离同步转速时也可控制发电机励磁线圈14中的励磁电流脉冲30的大小来确定该电机的输出电压。这一电压调节方法可单独使用，也可与公知的其他调节方法一起使用。
如该新转速只偏离同步转速很小百分比、例如每分钟3510转(rpm)只偏离60Hz、两磁极同步转速3600rpm的2.5％，则如图9所示，矫正磁极所用励磁电流脉冲的周期可为约15°。根据在某一电动机转速下为确保每秒磁极比率恒定所需的转子磁极长度就可算出该15°值。图9示出该输出的每半周期一个脉冲。在大多数情况下，重形成一磁极边只须一个脉冲。需要矫正的磁极边决定于为保持电机的输出频率转子的转速是大于同步转速还是小于同步转速。所需励磁电流脉冲的宽度随着转子转速的下降而增加。总磁极长度必须随着转速的减小而减小，以便在较低转速下保持每秒磁极比率恒定。在这种情况下，当转速偏离为33％或转速为2400rpm时，所需励磁电流脉冲的宽度达到最大。使用60Hz电机时，2400rpm转速需要一三磁极转子。现有AC电机中不可能有三磁极转子，因此每转必须完全重形成每一磁极。
实际上，图1所示之类电机只要转速变化不超过12.5％即可正常运行。只要在某一转速下供应矫正磁极所需励磁电流，所需励磁电流的rms值就可比比方说在US4,663,536中使用的正弦波驱动电流大大减小。从而励磁线圈损耗和所需驱动功率大大减小。效率提高。
本文所述转子磁极控制应用于发电机或电动机时另一个优点在于，在同步转速下不移动相位就可调节所生成的E.M.F.。为此可施加与磁极同相的励磁电流(从而提高磁场强度)或施加与转子磁极反相的励磁电流(从而降低磁场强度)来提高或降低转子各磁极的磁场强度。图11示出为减小电机生成的E.M.F.而降低转子磁极的磁场强度。依靠分别控制各磁极的励磁，可建立起所有值都相同的一组磁极。也可建立起值不同的磁极。如此调节转子磁极就可在输出电压波形中抵消掉多磁极电机中的转动分量，从而性能提高，特别是在要对电机输出进行整流以及要减小脉动分量时。图13示出这种电机。
图13所示电机与图1相同，只是它构作成用作一临界负载的高质量不间断直流电源。为方便起见，图13中与图1相同的结构用同一标号表示。同样，结合图1所述剖面图图3和4同样可用于图13电机。
本文所述转子磁极控制新方法特别可用于图13电机。在该例中，该电机设计成向临界负载提供质量非常高的严格受控的直流电。如图13所示，该发电机最好包括分别作为一磁极受控的发电机部24A和固定磁极发电机部26的第一和第二定子和转子部。一二极管环11用来对该发电机的AC输出进行整流。
图3示出磁极受控发电机定子部24A的剖面图，其结构与结合图1所述磁极受控发电机24相同。如图3所示，定子部24A包括至少一个励磁磁极和绕组19和14。作为比较，图13中的固定磁极发电机部26的转子磁极数量固定，没有励磁控制。初级绕组13最好伸展在这两个定子部24A和4A上。当该发电机只用来输出直流电时可使用固定磁极结构，因为无需在变动的非同步转速下控制输出频率。此外，用磁极受控发电机部24A就可调节电压。由于如图13所示只使用整个发电机的一部分控制电压，因此驱动电流可减小，从而效率提高。
图2为沿图13中2-2线剖取的剖面图，示出该发电机的转子磁极数量固定、没有励磁控制的部分。重要的是，图2固定磁极转子的永磁材料27的特性与图5中上述永磁材料17相同。使用这种磁性材料是为了转子磁极可在制造过程中预先磁化，而在任何可想见的电机运行条件下不会退磁。磁性材料27可为多种公知高能铁氧体陶瓷磁性材料中的任一种。但是，本发明并不受此限制，而可根据具体应用场合使用高能稀土永磁材料。例如，这类材料可包括在高能磁性材料中公知的SmCo5或NdFeB。
如上所述，用于图3所示电机的磁极受控部中的磁性材料的一般特性如图8所示。图8中的磁性材料的矫顽力的值极低，电机在受所示励磁运行时很容易磁化或再磁化。矫顽力选择成可进行这样的磁化，但又足够高，使得电机不受初级绕组电流的退磁而满负载运行。
在图13所示电机中，为了尽可能减小整流直流电中的脉动分量，第二发电机部26转子上有大量磁极。为此在某些情况下使用10个或10个以上磁极。如定子中为多相绕组，由于使用大量磁极，因此用二极管环11上的许多二极管对定子绕组输出进行整流可获得低脉动直流输出。
磁极受控发电机部(24、24A)中的转子磁极最好与发电机的固定磁极部中的转子磁极同步，以调节输出电压。然后可用极性交替变化的同步电流脉冲驱动受控磁极而提高或降低输出电压。在某些情况下，为了把输出电压迅速提升到正常值，要求向定子控制励磁线圈提供直流电。为此需要时可使用一AC驱动的励磁绕组19和另一DC驱动的励磁绕组19。此外，转子的固定和受控部中的磁层的相对强度只要稍有变动就会造成整流后的直流输出中出现脉动电压的旋转频率和基频。为减轻这种现象，可检测脉动频率分量的值和相位后调制控制部转子中的磁层的相对强度，从而抵消这些低频分量。应用于电动机控制
上述用于发电机的可编程转子磁极控制系统也可用来控制一转子磁极受控的电动机22的运行电特性。如上所述，电动机22最好有两个或两个以上相邻的部分，它们分别包括一电动机初级定子10和一电动机次级定子28。如上文结合图4和14所述，这两个定子共用一电动机主励磁线圈15。主励磁线圈15主要用于在电动机加速到同步转速的过程中控制电动机22的所有转子部的转子磁极。除非电动机转子磁场由于输入功率波动或会影响到电动机总磁场的其他情况而需要重新构作，该共有主励磁线圈15在同步转速下通常不被激励。
除了电动机定子10、28共有的主励磁线圈15，如图4A所示，只在电动机次级定子28上有一次级励磁线圈31。如图所示，电动机次级定子28上有主励磁线圈15的初级励磁磁极21和次级励磁线圈31的次级励磁磁极29。在该例中，两励磁磁极相隔180°；但本发明并不受此限制，而可使用更多励磁线圈和磁极，励磁磁极的相对位置也可不同，视电动机初级绕组的设计而定。
次级励磁线圈31最好仅在电动机运行在同步转速下时被激励。向次级励磁线圈31提供一可编程励磁电流，以增加或减小次级励磁磁极片旁转子磁层的磁场强度。在某些情况下，也可能要求向次级励磁线圈提供可编程控制电流来相移电动机磁层9中的磁极。
改变电动机磁层9对电动机绕组23的磁影响就可改变绕组23生成的反E.M.F.。电动机磁层9上的磁极越强，反E.M.F.就越大。如该反E.M.F.小于线电压，电动机22的输入功率因数就滞后。如该反E.M.F.大于线电压，电动机22的输入功率因数就超前。但是，如电动机次级定子28的长度远小于电动机初级定子10的长度、例如小于20％，就需要大大减小控制功率。励磁电流控制系统
图12为用集成栅双极晶体管(IGBT)实现这种控制的一系统30的方框图。一IGBT可看作一种强力金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中，一增加的结与漏极串联。这生成一受该MOSFET驱动的寄生晶体管，使同一管心区中的电流增加。理想的情况是，一IGBT结合一双极结晶体管(BJT)的低导电损耗与一强力MOSFET的开关速度。尽管IGBT特性适合于本申请，但也可使用其他合适的半导体装置。
该系统的频率、电压和磁极形状控制电路32最好使用计算机或微处理器。电路32在线路44、46、50和52上把IGBT控制信号分别传给各隔离IGBT驱动器54、56、58和60。各隔离IGBT驱动器54、56、58和60分别驱动IGBT晶体管62、64、66和68。这些晶体管相对接线端B+和B-以及相对励磁线圈14或31连接成桥式电路，一电流检测器69与该励磁线圈串联。
电路32最好在线路34上接收电机状态信号输入、在线路36上接收来自固定磁极定子或转子位置传感器的同步电压信号、在线路40上接收来自发电机输出的电压调节信号，在线路42上接收输出波形和相位(AC输出)或脉动分量和大小(DC输出)以及在线路48上接收来自电流检测器69的电流反馈信号。当要缩短响应时间或需要其他特征时，线路40或42上还可有表示输出电流大小的信号。应该看到，上述系统既可用来控制发电机的AC输出，又可用来控制经整流的DC输出。在提供经整流的DC输出的情况下，用整流输出的一反馈信号控制该系统30。该反馈信号中的信息至少涉及DC输出中的电压大小和脉动分量。同样，该系统可根据功率因数信号输入38控制电动机22的输入功率因数。在一优选实施例中，每一发电机或电动机的励磁线圈可有独立的IGBT桥及其驱动电路。但也可用一独立控制电路32控制各IGBT桥及其驱动电路。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1、一种AC电机，包括：
一AC电机转子，其上有一层可再磁化高矫顽磁性材料；
一AC电机定子，该定子用低损耗软磁性材料制成，且有一磁极片，所述磁极片上有一励磁线圈；
所述定子与所述转子相对转动，带有一间隙，使得通过所述转子转动时电流激励励磁线圈而在所述可再磁化磁性材料层上选择性地重形成转子磁极；以及
一控制信号发生器，该发生器响应至少一个输入信号而生成其波形经编程的脉冲，该脉冲的相位、宽度、和大小根据需要选择性地受控，以此改变所述转子磁极的位置、长度和磁场强度中的至少一个，从而控制所述AC电机的电特性。
2、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子上有第二层可再磁化磁性材料，还有第二定子；以及
所述第二定子上有第二磁极片，所述第二磁极片上有第二励磁线圈，所述第二定子与所述转子的相对转动使得通过电流激励所述第二励磁线圈而在所述第二层可再磁化磁性材料上形成第二组转子磁极。
3、按权利要求2所述的电机，其特征在于，所述第一和第二励磁线圈由同一电绕组构成。
4、按权利要求3所述的电机，其特征在于，进一步包括一AC电机初级绕组，所述AC电机初级绕组绕制在所述第一和第二定子上。
5、按权利要求2所述的电机，其特征在于，进一步包括第三励磁线圈和第三磁极片，所述第三励磁线圈和磁极片位于所述第二定子上。
6、按权利要求2所述的电机，其特征在于，所述第二磁层由永磁材料组成，永久磁化成一磁极型，第二定子被形成而没有励磁磁极片。
7、按权利要求1所述的电机，其特征在于，进一步包括一用于控制所述控制信号发生器的计算机。
8、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为一AC发电机，受控的所述电特性为AC输出电压和频率的至少之一。
9、按权利要求8所述的电机，其特征在于，所述输入信号代表下列至少之一：
所述AC输出电压；
AC输出电流；
激励所述励磁线圈的所述电流的一反馈信号；
电机状态；
一来自固定磁极定子位置传感器的同步信号；
一来自转子位置传感器的同步信号；以及
输出波形和相位。
10、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成用于选择性地重形成所述转子磁极的超前和滞后边的脉冲。
12、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成在转子的不同转速下保持每秒磁极比率恒定的脉冲。
13、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲，用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
14、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为一AC发电机，进一步包括一将AC输出变换成DC输出的整流器电路。
15、按权利要求14所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器通过生成大小变化的脉冲，调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度的脉冲，从而调节所述DC输出。
16、按权利要求15所述的电机，其特征在于，进一步包括一固定磁极发电机定子和转子部，所述固定磁极定子和转子部相对转动，所述固定磁极转子部上有永磁磁极。
17、按权利要求16所述的电机，其特征在于，所述磁性材料是从包括铁氧体永磁材料和稀土永磁材料的磁性材料群中的一个选择出来的。
18、按权利要求14所述的电机，其特征在于，所述输入信号代表下列至少之一：
所述AC输出电压；
AC输出电流；
激励所述励磁线圈的所述电流的一反馈信号；
电机状态；
一来自固定磁极定子位置传感器的同步信号；
一来自转子位置传感器的同步信号；
输出波形和相位；以及
经整流的DC输出电压和脉动分量。
19、按权利要求1所述的电机，其特征在于，进一步包括一固定磁极发电机定子和转子部，所述固定磁极定子和转子部相对转动，所述固定磁极转子部上有永磁磁极。
20、按权利要求19所述的电机，其特征在于，所述磁性材料是从包括铁氧体永磁材料和稀土永磁材料的磁性材料群中的一个选择出来的。
21、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为一AC电动机，所述受控电特性为输入功率因数。
22、按权利要求21所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号：
电机状态；
所述电动机的输入功率因数；以及
电力线频率和相位。
23、按权利要求21所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲，用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
24、一种控制一AC电机的方法，该电机包括：一转子，其上有一层可再磁化高矫顽磁性材料；一定子，该定子用低损耗软磁性材料制成，其上有一磁极片，所述磁极片上有一励磁线圈；所述定子与所述转子相对转动，带有一间隙，使得当所述转子转动时通过电流激励所述励磁线圈而在所述可再磁化磁性材料上选择性地重形成转子磁极，该方法包括下列步骤：
向所述励磁线圈自动提供波形经编程的脉冲来改变所述转子磁极；以及
根据需要选择性地改变所述脉冲的宽度、相位和大小，从而改变所述转子磁极的位置、长度和磁场强度中至少之一，从而控制所述AC电机的电特性。
25、按权利要求24所述的方法，其特征在于，所述电机为一AC发电机，受控的所述电特性为AC输出电压、频率和相位中的至少之一。
26、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号改变所述脉冲：
所述AC输出电压；
输出电流；
一代表激励所述励磁线圈的所述电流的反馈信号；
电机状态；
一来自转子位置传感器的同步信号；以及
经整流的DC输出电压和脉动分量。
27、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成用于选择性地重形成所述转子磁极的超前和滞后边的脉冲。
28、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成用于选择性地改变转子磁极的物理长度的脉冲。
29、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成脉冲以在转子的不同转速下保持每秒磁极比率恒定。
30、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲，用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
31、按权利要求24所述的方法，其特征在于，所述电机为一AC电动机，所述受控电特性为输入功率因数。
32、按权利要求27所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号改变所述脉冲：
所述电动机的输入功率因数；以及
电力线频率和相位。
33、按权利要求32所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲，用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
34、按权利要求1所述的电机，其特征在于，选择性地控制所述脉冲的形状，从而改变所述转子磁极的位置、长度和磁场强度中至少之一。
35、按权利要求24所述的方法，其特征在于，选择性地控制所述脉冲的形状，从而改变所述转子磁极的位置、长度和磁场强度中至少之一。

Claims (33)

1、一种AC电机，包括：
一AC电机转子，其上有一层可再磁化高矫顽磁性材料；
一AC电机定子，该定子用低损耗软磁性材料制成，其上有一磁极片，所述磁极片上有一励磁线圈；
所述定子与所述转子相对转动，带有一间隙，使得通过电流激励励磁线圈而在该层可再磁化磁性材料上形成转子磁极；以及
一控制信号发生器，该发生器响应至少一个输入信号而生成其波形经编程的脉冲，该脉冲的相位、宽度、和大小中的至少一个根据需要可变动，以改变所述转子磁极，从而控制所述AC电机的电特性。
2、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子上有第二层可再磁化磁性材料，还有第二定子；以及
所述第二定子上有第二磁极片，所述第二磁极片上有第二励磁线圈，所述第二定子与所述转子的相对转动使得通过电流激励所述第二励磁线圈而在所述第二层可再磁化磁性材料上形成第二组转子磁极。
3、按权利要求2所述的电机，其特征在于，所述第一和第二励磁线圈由同一电绕组构成。
4、按权利要求3所述的电机，其特征在于，进一步包括一AC电机初级绕组，所述AC电机初级绕组绕制在所述第一和第二定子上。
5、按权利要求2所述的电机，其特征在于，进一步包括第三励磁线圈和第三磁极，所述第三励磁线圈和磁极片位于所述第二定子上。
6、按权利要求2所述的电机，其特征在于，所述第二磁层由永磁材料制成，永久磁化成一磁极型，第二定子上没有励磁磁极片。
7、按权利要求1所述的电机，其特征在于，还包括一计算机，所述控制脉冲发生器构成所述计算机的一部分。
8、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为一AC发电机，受控的所述电特性为AC输出电压和频率的至少之一。
9、按权利要求8所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号：
所述AC输出电压；
AC输出电流；
一代表激励所述励磁线圈的所述电流的反馈信号；
电机状态；
一来自固定磁极定子位置传感器的同步信号；
一来自转子位置传感器的同步信号；以及
输出波形和相位。
10、按权利要求8所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成用于选择性地重形成所述转子磁极的超前和滞后边的脉冲。
11、按权利要求8所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成用于选择性地改变转子磁极的物理长度的脉冲。
12、按权利要求8所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成在转子的不同转速下保持每秒磁极比率恒定的脉冲。
13、按权利要求8所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲以用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
14、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为一AC发电机，进一步包括一将AC输出变换成DC输出的整流器电路。
15、按权利要求14所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器通过生成大小变化的脉冲以用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度来调节所述DC输出。
16、按权利要求15所述的电机，其特征在于，进一步包括一固定磁极发电机定子和转子部，所述固定磁极定子和转子部相对转动，所述固定磁极转子部上有永磁磁极。
17、按权利要求16所述的电机，其特征在于，所述磁性材料是从包括铁氧体永磁材料和稀土永磁材料的磁性材料群中的一个选择出来的。
18、按权利要求14所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号：
所述AC输出电压；
AC输出电流；
一代表激励所述励磁线圈的所述电流的反馈信号；
电机状态；
一来自固定磁极定子位置传感器的同步信号；
一来自转子位置传感器的同步信号；
输出波形和相位；以及
经整流的DC输出电压和脉动分量。
19、按权利要求1所述的电机，其特征在于，进一步包括一固定磁极发电机定子和转子部，所述固定磁极定子和转子部相对转动，所述固定磁极转子部上有永磁磁极。
20、按权利要求19所述的电机，其特征在于，所述磁性材料是从包括铁氧体永磁材料和稀土永磁材料的磁性材料群中的一个选择出来的。
21、按权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机为一AC电动机，所述受控电特性为输入功率因数。
22、按权利要求21所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号：
电机状态；
所述电动机的输入功率因数；以及
电力线频率和相位。
23、按权利要求21所述的电机，其特征在于，所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲以用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
24、一种控制一AC电机的方法，该电机包括：一转子，其上有一层可再磁化高矫顽磁性材料；一定子，该定子用低损耗软磁性材料制成，具有一磁极片，所述磁极片上有一励磁线圈；所述定子与所述转子相对转动，带有一间隙，使得通过电流激励所述励磁线圈而在所述可再磁化磁性材料上形成转子磁极，该方法包括下列步骤：
向所述励磁线圈提供波形经编程的不同脉冲来改变所述转子磁极；以及
根据改变所述脉冲的宽度、相位和大小中的至少一个，从而改变所述转子磁极，从而控制所述AC电机的电特性。
25、按权利要求24所述的方法，其特征在于，所述电机为一AC发电机，受控的所述电特性为AC输出电压、频率和相位中的至少之一。
26、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号改变所述脉冲：
所述AC输出电压；
输出电流；
一代表激励所述励磁线圈的所述电流的反馈信号；
电机状态；
一来自转子位置传感器的同步信号；以及
经整流的DC输出和脉动分量。
27、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成用于选择性地重形成所述转子磁极的超前和/或滞后边的脉冲。
28、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成用于选择性地改变转子磁极的物理长度的脉冲。
29、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成在转子的不同转速下保持每秒磁极比率恒定的脉冲。
30、按权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
31、按权利要求24所述的方法，其特征在于，所述电机为一AC电动机，所述受控电特性为输入功率因数。
32、按权利要求27所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：响应代表如下至少之一的至少一个反馈信号改变所述脉冲：
所述电动机的输入功率因数；以及
电力线频率和相位。
33、按权利要求32所述的方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：用所述控制信号发生器生成大小变化的脉冲用于调制所述转子上所述可磁化永磁材料层的相对磁场强度。
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