CN1471221A - 开关磁阻发电机的启动 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻驱动器12’，在没有电能存储能力的高压电源供电情况下是作为发电机工作的。低压电源92被用于通过使用专用启动绕组65来启动发电机，启动绕组65为发电机在直流环电容器内充电提供足够的能量。一旦建立起了足够的电量，就停止对启动绕组供电，发电机将在稳定状态下继续工作。

Description

开关磁阻发电机的启动

技术领域

本发明一般涉及用于启动发电系统的设备和方法。更具体地说，本发明涉及为没有长期能量存储能力的供电系统提供电力的开关磁阻发电机的操作。

背景技术

开关磁阻系统的特点和操作在本领域已经广为人知，并在例如：Stephenson和Blake的文章“The characteristics，design and applicationof switched reluctance motors and drivers”(PCIM’93，Nurnberg，1993年6月21-24日)中进行了描述，该文在这里引入作为参考。图1(a)所示是典型开关磁阻驱动系统的示意图，在这里作为电动机工作。开关磁阻机器12与负载19相连。直流电源11可以是电池、经过整形滤波的交流电源或者其他的电能存储形式。由电子控制单元14控制的能量转换器13将电源11提供的直流电压通过机器12的相绕组16进行转换。这个转换必须与转子的旋转角正确同步才能保证驱动器的正常工作，通常采用转子位置检测器15来提供与转子角位置相应的信息。转子位置检测器15可以采用很多种形式，包括软件算法，其输出也可以用来产生速度反馈信号。位置检测器的存在以及基于转子瞬时位置的激励策略的使用使得这些机器被描述为“转子位置转换”。

已经知道许多不同的能量转换器的拓扑结构，其中的几种在前面引用的Stephenson的文章中进行过介绍。图2中示出了用于多相位系统中的一个相位的最普通的一种结构，其中机器的相绕组16跨过母线26和27与两个开关21和22串联。母线26和27被合称为转换器的“直流环(DC link)”。将能量恢复二极管23和24连接在绕组上以便在开关21和22打开时绕组上的电流可以流回到直流环。将小阻值电阻28与下面的开关串联并作为电流敏感电阻进行工作。被称为“直流环电容器”的电容器25被跨接在直流环间，以获得或减弱直流环电流(例如，所谓的“波纹电流”)的任何交流分量，直流环电流不能被汲取或者返回到电源。在实际应用中，电容器25可能包括几个串联和/或者并联在一起的电容器，当采用并联方式时，某些元件可以分布在转换器的各个部分。

图3所示是当机器处于电动机模式时，图2中电路的一个工作周期的典型波形。图3(a)所示是当开关21和22关闭时，在导通角θ_c的持续时间内，在“开角”θ_on加的电压。图3(b)所示是相绕组16中的电流上升到顶峰然后慢慢下降。在导通周期的结尾处，达到“关角”θ_off，开关打开，电流流过二极管，并在绕组两端加上反向环电压，这样迫使磁通和电流下降到0。当电流为0时，二极管停止导通，并且在下一个导通周期开始之前，保持不活动状态。当开关打开时，直流环上的电流反向，如图3(c)中所示，返回的电流代表了返回电源的能量。电流波形的形状随机器的工作点和所采用的交换策略的不同而不同。正如众所周知且在，例如前面引用的Stephenson的文章中所描述的那样，低速运行通常包括用电流斩波来包括峰值电流，不同时关闭开关可以得到通常所知的“稳流(freewheeling)”的工作模式。

正如在本领域所众所周知的那样，开关磁阻机器可以在电动机模式下工作来驱动负载19，如图1(a)所示。如图1(b)所示，在发电模式下，用一个原动机19’代替负载19来旋转开关磁阻机器，并且对于所发的电力，用负载11’代替电源11，例如：蓄电池或要驱动的设备。

在发电模式，相电流是发电机电流的镜像(在时间上)。这种系统在，例如：Radun的文章“Generating with the switched reluctancemotor”中进行了讨论(IEEE 9^th Applied Power Electronics Conference，Orlando，Florida，1994年2月13-17日，第41-47页)，该文在此引入作为参考。图4(a)给出了当系统正在电动机模式工作时的电流波形图，图4(b)给出了发电时相应的电流波形。图中虚线表明磁通。从图4可以看出，机器要求在更大的电流返回到直流环之前建立起“起动(priming)”或者磁化磁通(同时还需要必要的电流来支撑这个磁通)。也就是说，在直流环能够将大量机械能转换回直流环之前，需要从直流环来的一些电能来启动(prime)机器。

采用静态(也就是固定安装的一部分)的发电系统时，通常有一个方便的电源来完成机器的初始化。然而，由于某些系统被安装在如舰艇或者汽车上，它们不是固定系统的一部分，那么就需要提供一种特殊的电源。在一个直流环具有相对较低值(如12V或48V)的系统中，可以在系统中安装一个蓄电池50，如图5(a)中所示那样连接在直流环之间。当发电机开始工作时，这个电池能够为相位初始化提供充足的电能。

在直流环具有较高值(如300V或者更高)的系统中，由于成本和安全的问题，很难在如此高的电压处提供一个电源。迄今为止有两种可选择的方案。

首先，低压电池可以和上变换器52一起使用，如图5(b)中所示。这样就克服了很多与高压电源隔离相关的问题，但是成本较高。另外，除非上变换器是双向的，否则必须提供一些其他形式的电源充电设备来对电池进行充电，这样就要更大的成本。

其次，系统能够依靠电能转换器内的直流环电容器提供的短时能量存储。如果在启动时电容器中剩余的电能足够使机器适当启动，那么这种方法是成功的，此时就不能保证电容在延长了的关闭时间保持它的电量。此外，经常需要在转换器的维护工作之前将电容的电量释放，这也将妨碍后续的用这种方法启动系统。

发明概述

因此，就需要在没有长期存储能力的汽车上来经济地启动系统。根据本发明的一个实施例，克服了原有的开关磁阻发电机的缺点。

本发明由后附的独立权利要求来限定。本发明的优选特征也在分别在从属权利要求中给出。

根据本发明的第一个方面，提供了一个开关磁阻发电机，它包括具有多个转子极的转子，一个具有多个定子极的定子，至少一个用来激励至少两个极的相绕组和用来激励极的启动绕组(priming winding)。

启动绕组是当机器被安排成发电机工作时用来初始化磁阻机器的。在使用中，这是由将启动绕组和电源连接起来，以激励极并且在相绕组内或每个相绕组内引起时变磁通链。在使用中，然后就停止对启动绕组的激励并且开始用相绕组来激励极。

这样，在作为发电机使用中，用启动绕组来初始化机器，一旦达到了适当点，就将启动绕组断开并用激励相绕组的方法来激励机器。启动绕组与电路断开的点基本上是在操作者的控制之下的，这是因为直流环只需要在采用相绕组的正常工作开始之前上升到它的正常电压的一个百分数就可以了。

这就允许开关磁阻电机在没有长期能量存储能力的高电压供电的情况下作为发电机工作，用低电压供电通过专用启动绕组来启动发电机，启动绕组提供充足的能量来允许发电机在一个或多个直流环电容器中建立起电量。一旦建立起了足够的电量，启动绕组将被断电，此时发电机将以稳定状态继续工作。相绕组和启动绕组内的电流均为单向电流。

启动绕组最好可与用来激励相绕组的电源相分开的电源相连接。

磁阻机器最好是开关磁阻机器，特别的作为发电机工作的开关磁阻机器。

相绕组最好是安装在定子极上，而启动绕组是安装在定子上的。

启动绕组可以沿着定子的纵轴方向延伸，或者启动绕组也可以是环形的，它绕在定子的护铁部分，或者启动绕组可以绕在至少一个定子极周围。

优选的，相位绕阻可以用直流环来激励，此时直流环电压与启动绕组供电电压的比值要大于3。

磁阻机器可以进一步包括将启动绕组连接到启动电源的装置，该连接装置包含开关、斩波器(chopper)单元或者电流控制器。

优选的，启动绕组和与其相连的启动电源以及开关单元(如果有的话)被定为用于短期使用，从而降低实现的费用。

在本发明的第二个方面，提供了启动开关磁阻发电机的方法，所述发电机包括一个具有多个转子极的转子和一个具有多个定子极的定子，至少一个相绕组限定一个或多个相以及至少一个启动绕组，该方法包括：相对于定子驱动转子；在启动绕组和电源之间建立电连接以为启动绕组供电，来激励两个或者更多的极以在相绕组或者每个相绕组内产生时变磁通链，然后停止向启动绕组供电。

这样就用启动绕组完成了发电机的初始化，而且一旦达到了稳定工作状态，启动绕组就被断开(或断电)，发电机就用发电机的相绕组来激励。

优选的，开关磁阻发电机是与直流环相连接的，并且当直流环电压达到预定值时，启动绕组将被断电并且直流环开始主要为相绕组供电。

优选的，直流环具有直流电容器，该直流电容器可以跨接在该或者每个相绕组上。从该或每个相绕组为直流环电容器提供电流来为直流环电容器充电，一旦直流环电容器的电压值达到一个预定值时，启动绕组将被断开。

在参照附图阅读了以下对本发明优选实施例的详细说明，本发明的其他方面和优点将会变得非常清晰。

附图说明

图1是现有技术的开关磁阻驱动系统的示意图；

图2是图1中现有技术的开关磁阻机器的激励电路；

图3(a)是图2所示电路的相电压波形；

图3(b)是与图3(a)相应的相电流波形；

图3(c)是与图3(a)相应的直流环电流波形；

图4(a)和图4(b)是分别电动机和发电机的电流波形图；

图5(a)是现有技术的发电系统；

图5(b)是现有技术的具有上变换器的发电系统；

图6是在本发明的一个实施例中绕组排列示意图；

图7是本发明的另一个实施例中的绕组排列示意图；

图8是本发明的又一个实施例中的绕组排列示意图；以及

图9是根据本发明的一个实施例的开关磁阻驱动系统。

具体实施方式

上文中引用的Radun的文章中公开了一种启动开关磁阻发电机的方法，从而激励能量最初来自一个电池，向激励总线供电以激励机器的相绕组。发电机将所有的输出返回到总线，直到总线电压上升到一个适合值的时候，于是关闭额外的晶闸管开关来将发电机输出送到负载上。稳定工作状态需要使用激励总线和额外的晶闸管。EPA 0564076中公开了一个具有分开的激励和负载总线的类似系统。

与现有技术系统不同，本发明使用单一总线和用来提高直流环电容器电压的分开的启动绕组。这是通过在机器内引入初始磁通链的方法来完成的，因此，将产生一个足以使发电机可以在传统状态下工作的直流环电压。下面将详细说明这个系统。

图6中所示为适合于与本发明一同使用的开关磁阻机器的横截面图。该机器具有三个安装在定子极61上的相绕组63，分别为相A、B和C。转子66具有转子极64并安装在轴68上。定子上还有启动绕组65，在本实施例中，它是全节距绕在机器上的，包围所有相的极，并且在定子的纵向轴方向延伸。

也可以使用启动绕组的其他实施例。例如，图7中所示为环形绕组65的一个实施例，此时绕组缠绕在定子的护铁上。这样的结构适用于那些定子的外表面不是用于与另一部件的界面的系统。图8中所示为启动绕组65分布在定子极61上。应该注意，在图8中所示的例子中，用到了所有的定子极，尽管并不是严格必须的。也不需要将主相绕组63和启动绕组65紧密耦合，这与将绕组在物理结构上安排最可能相互耦合的双线绕组结构不同。

值得一提的是，尽管在举例中采用了三相系统，这只是例子，并且在前面说明的原理可以应用于任何数量的相和任意数量的定子和转子的结合。

不论启动绕组采用的物理排列怎样，绕组都要通过在控制系统14’控制之下的连接装置94和独立电源92进行电气连接，如图9所示。在开关磁阻机器12’中给出了启动绕组65的简单示意图。连接设备94可以是简单的机械开关或者继电器，这种情况下，在绕组中流动的电流将主要由启动绕组65的电阻来控制。如果由于阻值低或电源92的电压相对高，阻值过小而不能将电流限制为合适值，那么连接设备94就可以是波器或者在这种技术中已经知道的其他形式的电流控制器。

应当注意，在本实施例中，在机器的启动绕组和相绕组之间并没有电气连接，也就是他们之间是电隔离的。这对于安全是十分有利的。

在运行中，原动机97要通过使转子以相对于定子的适当速度旋转来驱动发电机。为了启动发电机，要用控制系统来为启动绕组65供电，这样就要操作连接装置94来使电源92和启动绕组65连接。在启动绕组65中的电流将会在机器内产生持续不变的磁通。由于磁通自然的更喜欢流经磁阻小的磁路，因此，磁通将会流经任何一个与转子极相邻的定子极对。然而，由于转子是在原动机的影响之下运动的，因此，就会在不同的时间选择不同的极对，这样任何一个极对都会见到时变磁通。磁通连接了相绕组63并在它们内部产生了时变、双向电压。即使与相绕组相关的开关21和22都保持打开状态，能量转换器的二极管23和24也都保持连接，因此，他们可以对电压进行整流，允许半个周期的电流流入到直流环当中去。由于开关21和22都是打开的，因此，电流流入直流环电容器25，以由电流和电容大小决定的速率，将直流环电容器的电压提高。

当直流环电压已经达到了适合的水平，启动绕组65就会与电源92断开(也就是说不再供电)，并不再在以后的发电机工作中使用。然后，以常规的方法，发电机可以被直流环电容25通过开关21和22而激励，主相绕组63和发电机输出就可以通过输出开关98与电气负载96相连。

该系统于是就能够在即使没有长期能量存储的情况下发电到直流环上。优选的，电源92的电压要比直流环电压低，例如，和300V相比是12V。电源92既可以是用过之后更换的原电池也可以是可充电电源。优选的，启动绕组65只是短期工作的，这样就可以节省生产成本并可以在机器中占有可忽略的空间。

可以看出，启动绕组65是专门用来启动发电机的，也就是说提供一种将直流环电容器电压提高到一定值的方法，在这个电压值，它可以提供发电机相绕组稳定工作所需要的激励。在直流环电容器达到了适合的电压值之后，启动绕组65就被断开，并且在发电机的稳定状态工作中再也没有任务要执行了。

从上述说明可以看出，施加给启动绕组的激励并不是相应于转子位置而改变的，也就是说，并不是依赖与转子的角位置。优选的，如前所述，即使可能使用交流的或者具有较高波纹的单向电源，这个电流也是单向的。

本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神的条件下，可以对本发明进行不同的修改。例如，本发明既可以应用在线性系统中又可以应用在旋转电机中。因此，上述对若干实施例的说明是以举例的形式而非限制性的。对于本领域的技术人员来说，显然可以在不对上述说明进行明显改变的情况下对进行小的修改。本发明的保护范围仅由所附权利要求书来限定。

Claims (14)

1.一个磁阻机器包括具有多个转子极的转子，具有多个定子极的定子，至少一个激励两个或多个极的相绕组和激励两个或多个极的启动绕组。

2.根据权利要求1的磁阻机器，其中所述启动绕组可以和与用于激励相绕组的电源非开的启动电源相连。

3.根据权利要求1或2的磁阻机器，其中所述机器是开关磁阻机器。

4.根据权利要求1、2或3的磁阻机器，其中所述相绕组是安装在定子极上的。

5.根据权利要求1到4中任何一个的磁阻机器，其中所述启动绕组是安装在定子上的。

6.根据权利要求5的磁阻机器，其中所述启动绕组沿着定子的纵轴方向延伸。

7.根据权利要求5中的磁阻机器，其中所述启动绕组是环形的，绕在定子的护铁部分。

8.根据权利要求5中磁阻机器，其中所述启动绕组至少绕在一个定子极。

9.根据前面任何一个权利要求的磁阻机器，其中所述相绕组可由直流环来激励，直流环电压与启动绕组的供电电压的比值大于3。

10.根据前面任何一个权利要求的磁阻机器，进一步包括用于将启动绕组与启动电源连接的装置，所述连接装置包括开关，斩波器单元或电流控制器。

11.根据前面任何一个权利要求的磁阻机器，其中所述启动绕组和/或与其相关的启动电源，和/或连接元件(如果有的话)都是短期使用的。

12.一种用于启动开关磁阻发电机的方法，包括一个具有多个转子极的转子和具有多个定子极的定子，至少一个限定一个或多个相的相绕组和至少一个启动绕组，该方法包括：

相对于定子驱动转子；

通过在启动绕组和电源之间建立电连接的来激励启动绕组，以此来激励两个或者更多的极并在至少一个相绕组中产生时变磁通链，继而停止对启动绕组的供电，为发电机的相绕组供电。

13.根据权利要求12的方法，其中所述开关磁阻发电机与直流环连接，并进一步包括一旦直流环电压达到预定值便不再给启动绕组供电，然后用直流环给发电机的相绕组供电。

14.根据权利要求13的方法，其中直流环有一个跨接在相绕组上的直流电容器，该方法进一步包含：

通过从该或每个相绕组向直流环电容器提供电流来为直流环电容器充电，并在当直流环电容器电压达到预定值的时候，将启动绕组和电源断开。

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