CN1841915A - 具有在低速范围内改进的发电效率的开关磁阻发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SR(开关磁阻)发电机，其具有在低速范围内的改进的发电性能。本发明的SR发电机构造成使缠绕在定子上的相绕组的电感在低速范围内增加而在高速范围内减小。因此，因为电感相对于相位角的变化率在低速范围内变大，所以导致在低速范围内输出的能量增加并改进了发电效率。定子的相绕组可以构造为具有单相。因此，因为该发电机构造为具有数量缩减的开关，所以其制造成本低廉且制造简单。

Description

具有在低速范围内改进的发电效率的开关磁阻发电机

本申请要求2005年4月1日递交的韩国专利申请2005-0027620的优先权，其所公开的全部内容通过援引将并入本申请中。

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻(SR)发电机，尤其是涉及一种具有在低速范围内改进的发电性能的SR发电机。

背景技术

SR发电机是一种能量转换设备，该设备通过电子开关将电能从电压源施加于绕组，该绕组在转子角规定范围内具有至少一相，该设备从随后的转子角范围的相绕组收回的能量大于前面所施加能量。此额外的能量是机械能，且通过施加沿旋转方向的转矩而传递给发电机转子。这种SR发电机的优点在于因为其以电流源形式输出所以它能够在低速范围内产生能量。

传统地，感应发电机或者同步发电机已经用来作为风力发电机。感应发电机结构简单且造价便宜，但是其缺点在于其需要附加的齿轮箱以在发电时保持稳定的速度，且发电所必须的风速范围有限。同步发电机的缺陷在于结构复杂且造价昂贵。另外，在同步发电机中，在风速低时因为从发电机输出的电压小，所以电池组不充电。因此，在诸如韩国这样的低风速区域，采用感应发电机或者同步发电机发电非常困难。在研制即使在低速范围内也能够通过风力有效发电的发电机时，本发明人发现可以改进SR发电机以使其可以应用于这种区域。

发明内容

本发明提供了一种能够在低速范围内发电的SR发电机。

本发明还提供了一种结构简单且经久耐用的SR发电机。

根据本发明的方案，本发明提供了一种SR发电机，其构造成缠绕在定子周围的相绕组的电感在低速范围内增加并在高速范围内减小。

因此，因为电感相对于相位角的变化率在低速范围内变大，导致在低速范围内输出的能量增加并改进了发电效率。

定子的相绕组可以构造为具有单相。因此，因为该发电机构造为具有数量缩减的开关，其制造成本不高且简单。

附图说明

通过参照附图对本发明的示例性实施例进行的详细描述，本发明的上述和其它的特征和优点将会变得更加清楚。其中：

图1为示出根据本发明实施例的SR发电机构造的方框图；

图2为示出在SR发电机中转子的相电感、发电机电流以及电动机电流相对于相位角的关系曲线图；

图3示出了SR发电机中单相定子的连接结构，其中相绕组由三个单位绕组构成；

图4A示出了具有图3中所示连接结构的定子在低速范围内的连接模式；图4B示出了定子在高速范围内的连接模式；

图5A示出了在低速范围内具有图3中所示连接结构的定子中的电感和发电机电流之间的关系；图5B示出了在高速范围内具有图3中所示连接结构的定子中的电感和发电机电流之间的关系；以及

图6为在根据本发明实施例的SR发电机中相对于风速所产生的能量大小曲线图。

具体实施方式

现在将参照附图对根据本发明的示范实施例进行详细说明。

图1为示出根据本发明实施例的SR发电机构造的方框图。如图1中所示，SR发电机包括：转子10；定子30，其上缠绕有相绕组(phase winding)：驱动开关100，其控制相绕组300中的电流流动；以及功率控制器500，其控制驱动开关100的切换。SR发电机构造成使相绕组300的电感在低速范围内变大而在高速范围内变小。

根据本发明实施例的SR发电机还包括：相绕组300，其具有多个单位绕组(unit winding)310、330、350以及使所述单位绕组之间彼此连接或者断开的至少一个绕组开关340、360；速度检测器530，其检测转子10的转速；以及连接控制器700，其根据速度检测器530检测的速度控制绕组开关340、360的切换，以使绕组的电感在低速范围内变大而在高速范围内变小。

同时，单相SR发电机需要起始励磁电流。基于这个目的，独立的发电系统驱动与发电机并行设置的小型同步电动机以供给必需的电力。图1所示的电流源910和电容器930表示这样一种起始励磁电流系统。在本实施例中，定子30的相绕组300为单相绕组。因为单相SR发电机仅需要用于能量转换的少许开关，所以单相SR发电机能够廉价地制造。然而，本发明并不局限于此。

通过驱动开关100的电子切换，相绕组300在转子角的规定范围内从电容器930、电压电源接收电能，并在随后的转子角范围内将比前面所接收的能量多的能量供给电池组955。控制驱动开关100的电子切换的功率控制器500根据速度检测器530检测的转子10的位置输出脉冲宽度调制信号以控制电子切换。另外，功率控制器500通过电流检测器510检测发电机输出的电流来调整脉冲宽度调制信号，以防止过载电流。同时，各种类型的功率控制器500在现有技术中是公知的。另外，使用霍尔传感器或者电流检测方法的各种类型的速度检测器530在现有技术中是公知的。例如，速度检测器530能够通过检测位移并对位移微分或者通过计算预定时间间隔的从编码器输出的脉冲序列来检测速度。

根据本发明的实施例，SR发电机还包括：电池组955，其由从定子30的相绕组300输出的电流来充电；以及增压直流—交流逆变器400，其将电池组955的输出电压增压。逆变器400的输出供给负载600。二极管951、953用于防止对电池组955充电的电力向相绕组300回流。

现在将参考附图1对根据本发明的连接控制器700的运行进行详细说明。连接控制器700根据速度检测器530检测的速度控制相绕组300中的绕组开关340、360的切换，以改变单位绕组310、330、350的连接模式。

SR发电机的电压方程如下表示：

$v=\mathrm{Ri}+\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Ri}+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}=\mathrm{Ri}+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+e$ (公式1)

其中

$e=i\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}={\mathrm{i\ω}}_m\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}$ (公式2)

这样，能流表示如下：

$\mathrm{vi}=R{i}^2+\mathrm{Li}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i^2\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}={\mathrm{Ri}}^2+\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{1}{2}{\mathrm{Li}}^2\right)+\frac{1}{2}{i}^2{\mathrm{\ω}}_m\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}$ (公式3)

其中第一个项表示铜损，第二个项表示{铁损+磁能}，第三个项表示机械输出(即发电电力)。因为在dL/dθ＞0的范围内机械输出为正(+)，所以SR发电机作为电动机运行。同时，因为在dL/dθ＜0的范围内机械输出为负(-)，所以SR发电机作为发电机运行。图2为在SR发电机中转子相电感、发电机电流以及电动机电流相对于相位角的关系的曲线图。如图2中所示，在θ＝θmax时电感具有最大值Lmax，而电感在θ＝θmin时具有最小值Lmin。

根据本发明实施例的连接控制器700控制各单位绕组之间的连接，以使各单位绕组在低速范围内彼此串连连接而在高速范围内彼此并联连接。在图1示出的实施例中，单相的相绕组300由三个单位绕组310、330、350和控制三个单位绕组之间连接的两个绕组开关340、360构成。图3示出了在SR发电机中定子的连接结构。在本实施例中，所述单位绕组分配到由将放射状设置的定子磁极等分的相同数量的相邻定子磁极构成的各组中。此时，各单位绕组缠绕在定子上，以使在各组中相邻磁极的极性彼此交替。即，各磁极的极性与相邻磁极的极性相反。所述磁极由三个单位绕组分成三组磁极，每组磁极均被单个的单位绕组缠绕。在图3中，标记“○”或者“×”表示缠绕方向。增加磁极的数量并改进绕组的连接模式可在低速范围内获得较高的能量效率。

图4A示出了具有图3中所示连接结构的定子在低速范围内的连接模式。图4B示出了定子在高速范围内的连接模式。图5A示出了在低速范围内具有图3中所示连接结构的定子中的电感和发电机电流之间的关系。图5B示出了在高速范围内具有图3中所示连接结构的定子中的电感和发电机电流之间的关系。

如方程式3中所示，在SR发电机中产生的能量表述如下：

$\mathrm{Energy}=\frac{1}{2}{i}^2{\mathrm{\ω}}_m\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}$ (公式4)

从图5A中所示的电感曲线图可看到，因为单位绕组在低速范围内彼此串连连接，所以电感就变大。这样，因为Lmax和Lmin增加，dL/dθ变大，从而增加了发电效率。再有，对于励磁电流而言，Lmax在低速范围内较大。然而，因为速度低，所以足以提供用于励磁所需的时间周期，以使能够获得足够的激励电流。因此，尽管角速度ω低但dL/dθ却大，所以在低速范围内依然能够产生足够量的能量。

同时，因为单位绕组在高速范围内彼此并联连接，电感减小。这样，因为Lmax和Lmin减小，dL/dθ变小。然而，因为角速度ω大，在高速范围内依然能够产生足够量的能量。图6为示意在根据本发明一实施例的SR发电机中相对于风速所产生的能量大小曲线图。在该图中所示的虚线区域能够看到已经提高了在低速范围内的发电效率。

根据如上说明显而易见的是，根据本发明的SR发电机进行构造以使缠绕在定子上的相绕组的电感在低速范围内增加而在高速范围内减小。因此，因为电感相对于相位角的变化率在低速范围内变大，在低速范围内输出能量增加，因此改进了发电效率。

再有，根据本发明的SR发电机进行构造以使定子的相绕组构造为具有单相。因此，开关的数量减少，从而减小了成本。

尽管已经参照本发明的示意实施例对本发明说明如上，本领域技术人员应当理解的是，可以在本发明中进行各种形式上和细节上的改变而不脱离下述权利要求书所限定的本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种开关磁阻(SR)发电机，其包括具有相绕组(300)的定子(30)，相绕组(300)缠绕在定子(30)上以使相绕组(300)具有在低速范围内变大而在高速范围内变小的电感。

2、如权利要求1所述的SR发电机，其中相绕组(300)为单相绕组。

3、如权利要求1或者2所述的SR发电机，其中相绕组(300)包括：

多个单位绕组(310、330和350)；以及

至少一个绕组开关(340、360)，其用于切换所述单位绕组(310、330和350)之间的连接。

4、如权利要求3所述的SR发电机，其中相绕组(300)中的各单位绕组(310、330和350)分配到定子(30)的多个磁极组中的相应一个磁极组，以将各单位绕组缠绕在相应磁极组上以使在所述对应磁极组中的相邻磁极具有交替的极性，所述多个磁极组的磁极放射状设置且所述多个磁极组的磁极数量上被等分以分别构成所述磁极组中的相应一个磁极组。

5、如权利要求3所述的SR发电机，该SR发电机还包括：

速度检测器(530)，其用于检测与定子(30)对应的转子(10)的转速；以及

连接控制器(700)，其根据速度检测器(530)检测的速度来控制绕组开关(340、360)的切换，以使相绕组(300)的电感在低速范围内变大而在高速范围内变小。

6、如权利要求5所述的SR发电机，其中绕组开关(340、360)在连接控制器(700)的控制下在低速范围内将单位绕组(310、330和350)串联连接而在高速范围内将单位绕组(310、330和350)并联连接。

7、如权利要求5所述的SR发电机，该SR发电机还包括：

电池组(955)，其通过从定子(30)的相绕组(300)输出的电流来对电池组(955)自身充电；以及

增压直流-交流逆变器(400)，其用于对电池组(955)的输出电压增压。

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