CN1841889A

CN1841889A - 开关磁阻发电机

Info

Publication number: CN1841889A
Application number: CNA2005101297317A
Authority: CN
Inventors: 林俊荣; 崔镛远
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: DE602005026254D1; KR100704482B1; EP1717946A3; JP5048244B2; EP1717946B1; US7394229B2; CN100585990C; KR20060105182A; EP1717946A2; US20060232069A1; JP2006288184A

Abstract

公开了在低速和高速下具有提高的效率的开关磁阻(SR)发电机。该SR发电机包括递升转换器，用于控制能够向相绕组提供激发电流的激发电容器的激发电压。因此，SR发电机可以控制激发电流，并可以向相绕组提供足够的激发电流，由此提高效率。递升转换器设置在能够存储所生成的能量的电池和激发电容器之间，升压电池的电压，并向激发电容器提供升压的电压。因此，SR发电机不包括用于升压功能的额外的能量供应单元，导致整体结构的简化和制造成本的降低。

Description

开关磁阻发电机

技术领域

本发明涉及开关磁阻(SR)发电机，更具体地，涉及用于提高在低和高速度下的生成性能的SR发电机。

背景技术

通常，SR发电机作为能量转换装置被广泛使用，使得其在预设转子角度期间，通过电开关操作将电能从电压源传输到具有一个或多个相位的绕组，并在剩余转子角度期间，从绕组获得比在绕组中所接收的更多的电能。上述额外能量是指当旋转地将扭矩施加到SR发电机时，施加到发电机转子的机械能量。SR发电机具有配置为电流源形式的输出信号，使得其可以发电。

虽然传统的风力发电站广泛使用感应发电机或同步发电机，当发电时，感应发电机必须保持预设速度，尽管它具有简单的结构和低制造成本，使得其需要额外的变速箱并具有发电的风速限定范围。同步发电机具有缺点在于其具有复杂的结构并且昂贵。同步发电机在低风速下输出低输出电压，使得其不能够用电来充电电池。

因此，尽管感应或同步发电机在具有低风速的地区被广泛使用来发电，当发电时出现很多问题。本发明的应用考虑到SR发电机可以被改进，以适宜其间发展了能够有效执行风能生成的发电机的过程中的应用领域。

发明内容

因此，考虑到上述问题而提出本发明，本发明的目标是提供在低和高速下具有提高的效率的SR发电机。

本发明的另一目标是提供具有简化的结构和优异耐久性的SR发电机。

根据本发明的一个方面，通过提供包括递升转换器的SR发电机实现这些目标，该递升转换器用于控制能够向相绕组提供激发电流的激发电容器的激发电压。

因此，SR发电机可以控制激发电流，并可以向相绕组提供足够的激发电流，由此提高效率。

根据本发明的另一方面，该递升转换器设置在能够存储所生成的能量的电池和激发电容器之间，升压电池的电压，并向激发电容器提供升压的电压。

因此，SR发电机不包括用于升压功能的额外的能量供应单元，导致整体结构的简化和制造成本的降低。

根据本发明的还一方面，当转子旋转速度小于预设速度时，操作该递升转换器。该递升转换器与转子旋转速度成反比例地提高激发电流。

因此，SR发电机在低速下提高独特效率(unique efficiency)。

根据本发明的还一方面，当转子旋转速度大于预设速度时，操作递升转换器。优选地，递升转换器与转子旋转速度成比例地提高激发电流。

因此，SR发电机在高速下提高独特效率。

根据本发明的还一方面，SR发电机提高在低速下相绕组的电感，并减小在高速下相绕组的电感。

因而，在低速下提高了电感和相角之间的变化率，而且在低速下还提高了输出能量，由此提高生成效率。

根据本发明的还一方面，SR发电机具有单相结构。

因此，减少了SR发电机的必要开关数量，导致简单的结构和制造成本的降低。

附图说明

在结合附图阅读下面详细说明之后，本发明的上述目标以及其他特性和优势将变得更加清楚，其中：

图1是说明根据本发明的优选实施例的SR发电机的电路图；

图2是说明根据本发明，补偿的激发电压和速度之间关系的曲线图；

图3是说明根据本发明，通过补偿的激发电压所获得的生成能量与转子旋转速度之间关系的曲线图；

图4是说明根据本发明的另一优选实施例的SR发电机的电路图；

图5示出根据本发明，用在图4所示的SR发电机中的单相定子的外观，具体地示出SR发电机的示例性接线结构，包括由三个单元绕组构成的相绕组。

图6是说明根据本发明，在SR发电机中与转子的相角相关的相位电感、发电机电流、以及电机电流之间关系的曲线图；

图7a示出根据本发明，在低速下，在包括图5所示的接线结构的定子中所形成的接线的外观；

图7b示出根据本发明，在高速下，在包括图5所示的接线结构的定子中所形成的接线的外观；

图8a示出根据本发明，在低速下，在包括图5所示的接线结构的定子中的电感和生成电流之间关系的曲线图；以及

图8b示出根据本发明，在高速下，在包括图5所示的接线结构的定子中的电感和生成电流之间关系的曲线图。

具体实施方式

现在，参照附图详细说明本发明的优选实施例。在附图中，用相同的参考标号指示相同或相似的元件，即使它们在不同的附图中说明。在下面的说明中，将省略在此引用的已知功能和结构的详细说明，当它使得本发明的主题事件反而不清楚时。

图1是说明根据本发明的优选实施例的SR发电机的电路图。参照图1，SR发电机包括转子10、定子30，在其上缠绕相绕组300、驱动开关100，用于控制在相绕组300中流过的电流信号、以及功率控制器500，用于控制驱动开关100的开关操作。

SR发电机必须首先接收激发电流。为此目的，独立的生成系统通过驱动并联到SR发电机的小型的同步电机，生成必要的电源供应信号。在图1中，电流源910是用于生成初始激发电流的电机，例如，BLDC电机。从电机生成的激发电流在激发电容器930中充电。一旦激发电容器930被充电，将在激发电容器930中所充电的电压通过驱动开关100在转子旋转角度的预设范围内施加到相绕组300，以及将在相绕组300中感应的多余的电能在另一转子旋转角度的预设范围内充电到电池955。功率控制器500根据由速度检测器530所检测的转子旋转角度接通或切断驱动开关100，并控制上述操作。

相绕组300从激发电容器930接收电能，该激发电容器930由于驱动开关100的电开关操作，在预设转子角度范围内用做电压源，并在其他转子角度范围内向电池955提供比所接收的更多的能量。用于控制驱动开关100的电开关操作的功率控制500生成脉冲宽度调制信号，能够根据由速度检测器530检测的转子位置来控制上述开关操作。可以用不同形式实现功率控制器500，并且多种功率控制器对本领域技术人员来说是公知的。如本领域所公知的，可以用不同形式实现速度检测器530，例如，使用霍尔传感器(hall sensor)的速度检测器，以及另一种使用电流检测方案的速度检测器530。例如，速度检测器530检测位移，并区分所检测的位移。否则，速度检测器530计数在预设时间内从编码器生成的脉冲序列的数目，使得其可以检测SR发电机的速度。

将电池955的输出信号施加到负载600。可选择地，可以通过递升DC-DC转换器将电池955的输出信号施加到负载600。二极管951和953防止在电池中充电的电能反感应(counter-induce)到相绕组。

根据本发明的优选实施例，用在定子中的相绕组300具有单相结构。单相SR发电机具有少数的用于能量转换的开关，使得可以用低廉的价格实现它。然而，应注意，本发明不限制于上述实例，可以以不同的形式改进。

在如图1所示的优选实施例中，SR发电机包括递升转换器，用于控制能够向相绕组提供激发电流的激发电容器930的激发电压。根据本发明的第二优选实施例，递升转换器位于用于在其内存储所生成的电能的电池955和激发电容器930之间。递升转换器升压电池955的电能，并向激发电容器930提供升压的电能。根据本发明的第一优选实施例，用升压转换器实现递升转换器。换句话说，本发明为描述的方便和对本发明更好的理解，示例性地示出最简单的升压转换器电路。升压转换电路包括升压电感器810，用于从电池955接收电流信号；开关850，用于接通或切断电感器电流的提供；以及二极管830，用于通过接通或切断开关850向激发电容器提供电流信号，并防止出现反向电流。对本领域技术人员来说，上述升压转换器的操作是公知的，因而为了说明的方便，在此省略它们的详细说明。

在如图1所示的优选实施例中，SR发电机包括速度检测器530，用于检测转子的旋转速度；以及激发控制器800，用于当由速度检测器530检测的转子旋转速度小于预设速度时，操作升压转换器。在这种情况下，激发控制器800优选地控制升压转换器以允许激发电流与转子旋转速度成反比例地增加。

根据本发明的第二优选实施例，当由速度检测器530检测的转子旋转速度等于或大于预设速度时，激发控制器800操作升压转换器。在这种情况下，激发控制器800控制升压转换器以允许激发电流与转子旋转速度成比例地增加。

将使用下面的等式详细说明升压转换器的上述操作的原理。

可以用下面的等式1表示用于SR发电机中的电压等式：

[等式1]

v = Ri + \frac{dφ}{dt}

= Ri + L \frac{di}{dt} + i \frac{dθ}{dt} \frac{dL}{dθ}

= Ri + L \frac{di}{dt} + e

其中e可以用下面的等式2表示：

[等式2]

e = i \frac{dθ}{dt} \frac{dL}{dθ} = i ω_{m} \frac{dL}{dθ}

因此，可以用下面的等式3表示能量的流动：

[等式3]

vi = {Ri}^{2} + Li \frac{di}{dt} + i^{2} \frac{dθ}{dt} \frac{dL}{dθ}

= {Ri}^{2} + \frac{d}{dt} (\frac{1}{2} {Li}^{2}) + \frac{1}{2} i^{2} ω_{m} \frac{dL}{dθ}

其中第一项表示铜损耗，第二项表示铁心损耗和磁能的总和，第三项指示作为机械输出值的生成能量。在由

\frac{dL}{dθ} > 0

指示的第一周期内，机械输出值是正(+)值，使得SR发电机被用做电机。在由

\frac{dL}{dθ} < 0

指示的第二期间内，机械输出值是负(-)值，使得SR发电机被用做发电机。

可以用下面的等式4表达表示从发电机获得的电源能量的第三项：

[等式4]

Energy = \frac{1}{2} i^{2} ω_{m} \frac{dL}{dθ}

其中i与对相绕组供应的激发电流成比例。激发电流越高，生成能量越高。换句话说，在低速度下，角速度值减小，使得生成能量也减小。与本发明的特征方面一致，如果增大激发电压以增大激发电流，电流i也增大，由此保持生成能量。在这种情况下，激发电流与速度成反比例增加，使得可以抵消角速度ω的减小。

同样，即使角速度ω在高速下是高的，用于激发的需要时间被减小，由此降低了生成能量。在种情况下，增大激发电压使得激发电流的值也增大，由此保持生成能量。在这种情况下，激发电流的值与速度成比例增加，并且保持实质激发电流，使得可以补偿生成能量。图2是说明根据本发明，补偿的激发电压和速度之间关系的曲线图。如图2所示，可以将角速度ω1和ω2确定为合适的值，在该角速度ω1和ω2下补偿操作开始。图3是说明根据本发明，通过补偿的激发电压所获得的生成能量与转子旋转速度之间关系的曲线图。如图3所示，传统的SR发电机在低速区域和高速区域具有少量的生成能量，但应注意，可以获得相对平滑的特性。

图4是说明根据本发明的另一优选实施例的SR发电机的电路图。如图4所示，应注意，用相同的参考数字指示SR发电机的第一优选实施例中的相似组件。参照图4，用于SR发电机中的相绕组300包括：多个单元绕组310、330以及350；一个或多个绕组开关340和360，用于接通或切断单元绕组310、330以及350间的连接；以及接线控制器700，用于控制绕组开关340和360的开关操作，使得当由速度检测器530所检测的速度低时，增加电感，并且当由速度检测器530检测的速度高时，减小电感，与如图5所示的上述SR发电机不同。

在下文将参照附图说明接线控制器700的操作。接线控制器700根据由速度检测器530所检测的速度，控制包含在相绕组300中的绕组开关340和360的开关操作，并将单元绕组310、330以及350的接线方案改变为另一种方案。

根据本发明的特性，接线控制器700控制单元绕组310、330以及350在低速下串联，并控制单元绕组310、330以及350在高速下彼此并联。如图4所示，单相的相绕组300包括：三个单元绕组310、330和350；以及两个绕组开关340和360，用于控制三个单元绕组310、330和350中的接线。图5示出上述SR发电机的定子的接线结构。根据本发明的优选实施例，将放射排列的定子磁极划分为预设磁极组，每个包括彼此相邻的预设磁极。分别将各个单元绕组分配至各个组中。缠绕单元绕组以允许在每个组中相邻的磁极彼此交替。更详细，每个磁极具有与相邻磁极相反的极性。三个单元线圈的磁极被分为三个组，将一个单元绕组缠绕在每个组上。在图5中，参考字符O和X指示每个绕组的绕组方向。定子增加单相机的数量，并用可在低速下产生高能量效率的方式改进接线方案。

图6是说明根据本发明，在SR发电机中与转子的相角相关的相位电感、发电机电流、以及电机电流之间关系的曲线图。如图6所示，电感在第一条件θ＝θmax下具有最大Lmax，并在第二条件θ＝θmin下具有最小Lmin。

图7a示出在低速下，在包括图5所示的接线结构的定子中所形成的接线的外观。图7b示出在高速下，在包括图5所示的接线结构的定子中所形成的接线的外观。图8a示出在低速下，在包括图5所示的接线结构的定子中的电感和生成电流之间关系的曲线图。图8b示出在高速下，在包括图5所示的接线结构的定子中的电感和生成电流之间关系的曲线图。

可以用上述等式4表示从SR发电机生成的能量：

[等式4]

Energy = \frac{1}{2} i^{2} ω_{m} \frac{dL}{dθ}

如图8a所示，在电感外形的情况下，在低速下单元绕组彼此串联，使得电感减小。结果是，Lmax和Lmin的值也增大，并且

的值增大，使得在低速下提高了生成效率。根据本发明的另一方面，在激发电流的情况下，Lmax的值在低速下是大的，但是由于低速度保证了用于激发的足够时间，并且升压了激发电压，使得可以获得足够的激发电流。因此，即使在低速下形成的生成能量具有小的角速度ω，

的值非常大，使得提供足够的生成。

同时，由于在高速下单元绕组彼此平行连接，电感减小。结果是，Lmax和Lmin的值也减小，

的值减小，并且角速度ω大。根据本发明的另一方面，升压激发电压，使得可以获得足够激发电流并提高电生成。

如从上述说明明显可知，上述SR发电机在低速和高速下升压激发电压，并且保证足够的激发电流，使得低速和高速下提高生成效率。

SR发电机升压电池的电压，向该电池充电所生成的电压，并且向激发电容器提供升压的电池电压，使得可以使用少数量的元件提高生成效率，而不包括额外的能量供应单元。

此外，SR发电机提高在低速下定子绕组的电感，并减小在高速下定子绕组的电感，使得提高低速下电感和相角之间的变化率，而且还提高了在低速下的输出能量，由此提高生成效率。

虽然为示例的目的说明公开了本发明的优选实施例，本领域技术人员将理解，可以有各种改进、增加或替换，而不背离如所附权利要求所公开的本发明的范围和精神。

Claims

1.一种开关磁阻(SR)发电机，包括：

递升转换器，用于控制能够向相绕组提供激发电流的激发电容器的激发电压。

2.如权利要求1所述的SR发电机，其中递升转换器设置在能够存储所生成的能量的电池和激发电容器之间，升压电池的电压，并向激发电容器提供升压的电压。

3.如权利要求1所述的SR发电机，还包括：

速度检测器，用于检测转子的旋转速度；以及

激发控制器，用于当由速度检测器检测的转子旋转速度等于或小于预设速度时，操作递升转换器。

4.如权利要求3所述的SR发电机，其中激发控制器与转子旋转速度成反比例地提高激发电流。

5.一种开关磁阻(SR)发电机，包括：

递升转换器，用于控制能够向包含多个单位绕组的相绕组传输激发电流的激发电容器的激发电压，由一个或多个绕组开关接通或切断其连接。

6.如权利要求5所述的SR发电机，其中绕组开关连接单位绕组，使得电感在低速下增加并在高速下降低。

7.如权利要求5所述的SR发电机，其中绕组开关连接单位绕组，使得单位绕组在低速下串联，并在高速下并联。

8.如权利要求5所述的SR发电机，其中相绕组具有单相结构。

9.如权利要求5所述的SR发电机，其中：

在相绕组的单元绕组中，将放射排列的定子磁极划分为预设磁极组，每个包括彼此相邻的预设磁极，使得将各个单元绕组分配至每个组中，并且缠绕单元绕组以允许在每个组中相邻的磁极彼此交替。

10.如权利要求5所述的SR发电机，其中递升转换器设置在能够存储所生成的能量的电池和激发电容器之间，升压电池的电压，并向激发电容器提供升压的电压。

11.如权利要求5所述的SR发电机，还包括：

速度检测器，用于检测转子的旋转速度；以及

激发控制器，用于当由速度检测器检测的转子旋转速度等于或小于预设速度时，操作升压转换器。

12.如权利要求11所述的SR发电机，其中激发控制器与转子旋转速度成反比例地提高激发电流。