TWI768115B - 獨立速度可變頻率交流發電機 - Google Patents

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Abstract

一種獨立速度可變頻率交流(AC)發電機裝置可包括一轉子及一定子，該轉子經配置以相對於該定子旋轉。該裝置可進一步包括附接至該轉子並經配置以在該轉子旋轉後產生一第一旋轉磁場之一磁場源，其中該第一旋轉磁場之一旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率。該裝置亦可包括附接至該轉子並經配置以在該轉子之該旋轉後產生一第二旋轉磁場之一主轉子繞組，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關。

Description

獨立速度可變頻率交流發電機
本發明大體上係關於交流(AC)發電機之領域，且詳言之係關於獨立速度可變頻率AC發電機。
飛機及其他運輸工具通常包括依賴於AC電源之系統。在典型飛機中，AC電力可由附接至發電機(例如永磁發電機)之原動機的旋轉產生。三相電力繞組可在發電機內使用以將藉由原動機旋轉之磁場轉換成AC電力信號。因而，最初由單一典型發電機產生的電力之頻率、振幅及相位可取決於原動機之旋轉頻率。
為了產生具有獨立或可變頻率之AC電源，典型飛機電力推進設備可包括電力轉換之兩個級：首先，從所產生的AC電力信號到直流(direct current；DC)電力信號；第二，從DC電力信號到獨立頻率AC電力信號，其可用於驅動推進馬達或運輸工具內之其他AC供電器件。具有兩個轉換器級會降低AC電力產生之效率並且會增加較大的重量至飛機系統。會存在額外的缺點。
所揭示的係可克服以上所述之缺點中之至少一者的系統及方法。舉例而言，獨立速度可變頻率AC發電機裝置可包括一轉子及一定子，其中 與轉子之主繞組相關聯的旋轉磁場之旋轉頻率與轉子之旋轉頻率無關。
在一實施例中，獨立速度可變頻率AC發電機裝置包括一轉子及一定子，該轉子經配置以相對於該定子旋轉。該裝置進一步包括附接至該轉子並經配置以在該轉子旋轉後產生一第一旋轉磁場的一磁場源，其中該第一旋轉磁場之一旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率。該裝置亦可包括附接至該轉子並經配置以在該轉子之該旋轉後產生一第二旋轉磁場的一主轉子繞組，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關。
在一些實施例中，該磁場源包括一永久磁體。在一些實施例中，該裝置包括附接至該定子並經配置以將第一旋轉磁場轉換成AC電力信號的一導頻繞組。
在一些實施例中，該裝置包括經配置以調變AC電力信號以產生高頻AC電力信號以供傳輸至轉子的發電機控制單元，其中高頻AC電力信號之頻率大於轉子之旋轉頻率。在一些實施例中，該裝置包括經配置以將高頻AC電力信號自定子傳輸至轉子的高頻變壓器。在一些實施例中，高頻變壓器包括附接至定子之第一電力變壓器繞組及附接至轉子之第二電力變壓器繞組，其中該第一電力變壓器繞組經配置以傳送高頻AC電力信號至第二電力變壓器繞組。在一些實施例中，高頻變壓器省略了定子與轉子之間的接觸電力傳輸機構。
在一些實施例中，該裝置包括附接至轉子並經配置以將高頻AC電力信號轉換成DC電力信號的整流器。在一些實施例中，該裝置包括附接至轉子並經配置以將DC電力信號轉換成主場AC電力信號的反相器，其中該主轉子場繞組係以主場AC電力信號來驅動。在一些實施例中，該裝置包括一發電機控制單元，該發電機控制單元耦接至反相器並經配置以控制主場AC電力信號，藉此控制相對於轉子的第二旋轉磁場之轉速、方向、振幅或其任何組合。在一些實施例中，發電機控制單元包括附接至定子之控制電路及附接至轉子之控制電 路，其中附接至轉子之控制電路包括至少一個比例-積分-導數(proportional-integral-derivativc；PID)控制器。在一些實施例中，至少一個PID控制器耦接至反相器以控制第二旋轉磁場之頻率，且附接至轉子之控制電路包括耦接至反相器以控制第二旋轉磁場之量值的額外PID控制器。在一些實施例中，附接至定子之控制電路經由一控制信號耦合器通信耦接至附接至轉子之控制電路，該控制信號耦合器包括附接至定子之至少一個第一通信碟及附接至轉子之至少一個第二通信碟。在一些實施例中，第一通信碟包括光信號源且第二通信碟包括光電晶體。在一些實施例中，該裝置包括經配置以將第二旋轉磁場轉換成AC電力信號的主定子繞組。
在實施例中，一種用於獨立速度可變頻率AC電力產生之方法包括在轉子旋轉後在附接至轉子之磁場源處產生第一旋轉磁場，其中第一旋轉磁場之旋轉頻率取決於轉子之旋轉頻率。該方法進一步包括在轉子旋轉後在附接至轉子之主轉子繞組處產生第二旋轉磁場，其中第二旋轉磁場之旋轉頻率與轉子之旋轉頻率無關。該方法亦包括在附接至定子之主定子繞組處將第二旋轉磁場轉換成AC電力信號。
在一些實施例中，該方法包括：將第一旋轉磁場轉換成AC電力信號；調變AC電力信號以產生高頻AC電力信號；將高頻AC電力信號自定子傳輸至轉子；將高頻AC電力信號轉換成DC電力信號；及將DC電力信號轉換成主場AC電力信號，其中主轉子繞組係以主場AC電力信號來驅動。在一些實施例中，該方法包括：接收來自發電機控制單元之參考頻率信號；產生第一中頻信號，其為參考頻率信號與同轉子之旋轉頻率相關聯的轉子頻率信號的差異；產生第二中頻信號，其為第一中頻信號與同相對於轉子的第二旋轉磁場之旋轉頻率相關聯的主場頻率信號之差異；及將第二中頻信號轉換成反相器控制信號以引導反相器更改主場AC電力信號以加速或減緩第二旋轉磁場相對於轉子的旋 轉。
在一些實施例中，第一中頻信號經由控制信號耦合器自定子傳遞至轉子，該控制信號耦合器包括附接至定子之至少一個第一通信碟及附接至轉子之至少一個第二通信碟。在一些實施例中，產生第二旋轉磁場進一步包括判定第一中頻信號之正負號，及產生第二反相器控制信號以引導反相器相對於轉子在對應於中間信號之正負號的方向上旋轉第二旋轉磁場。在一些實施例中，該方法包括：接收來自發電機控制單元之參考電壓信號；產生一中間電壓信號，其為參考電壓信號與同AC電力信號相關聯電壓信號之間的差異；及將中間電壓信號轉換成反相器控制信號以引導反相器更改主場AC電力信號以增大或減小第二旋轉磁場之量值。
在實施例中，AC發電機轉子器件包括經配置以在轉子旋轉後產生第一旋轉磁場的磁場源，其中第一旋轉磁場之旋轉頻率取決於轉子之旋轉頻率。該器件進一步包括經配置以在轉子旋轉後產生第二旋轉磁場之主轉子繞組，其中第二旋轉磁場之旋轉頻率與轉子之旋轉頻率無關。
在一些實施例中，該器件進一步包括：一電力變壓器繞組，其經配置以接收一高頻AC電力信號；一整流器，其經配置以將該高頻AC電力信號轉換成一DC電力信號；及一反相器，其經配置以將該DC電力信號轉換成一主場AC電力信號，其中該主轉子繞組係以該主場AC電力信號驅動。
100‧‧‧獨立速度可變頻率AC發電機裝置
102‧‧‧轉子
104‧‧‧定子
106‧‧‧導頻永磁發電機(PMG)級
108‧‧‧高頻(HF)變壓器級
110‧‧‧場控制級
112‧‧‧主機器級
118‧‧‧原動機
120‧‧‧磁場源
122‧‧‧導頻繞組
124‧‧‧發電機控制單元
126‧‧‧第一HF變壓器繞組
128‧‧‧第二HF變壓器繞組
130‧‧‧整流器
132‧‧‧反相器
134‧‧‧主轉子繞組
136‧‧‧控制信號耦合器
138‧‧‧主定子繞組
140‧‧‧電力分配線
200‧‧‧控制信號系統
202‧‧‧參考頻率信號
204‧‧‧轉子頻率信號
206‧‧‧第一求和點
208‧‧‧第一中間信號
212‧‧‧絕對值功能
214‧‧‧量值信號
216‧‧‧量值信號
218‧‧‧求和點
220‧‧‧第二中間信號
222‧‧‧第一比例-積分-導數(PID)控制器
224‧‧‧反相器控制信號
228‧‧‧三相電流
232‧‧‧主場頻率信號
234‧‧‧絕對值功能
236‧‧‧轉子之第一部分
237‧‧‧定子之第二部分
238‧‧‧參考電壓信號
240‧‧‧第三中間信號
242‧‧‧定子輸出電壓信號
244‧‧‧求和點
246‧‧‧第二PID控制器
248‧‧‧反相器控制信號
250‧‧‧正負號功能
252‧‧‧方向信號
302‧‧‧第一收發器
304‧‧‧第二收發器
306‧‧‧第一通信碟
308‧‧‧第二通信碟
310‧‧‧控制信號
400‧‧‧用於獨立速度可變頻率AC電力產生之方法
500‧‧‧控制用於獨立速度可變頻率AC電力產生之旋轉磁場的方法
圖1為描繪獨立速度可變頻率AC發電機裝置之實施例的示意圖。
圖2為描繪用於獨立速度可變頻率AC發電機之信號控制系統之實施例的方塊圖。
圖3為描繪用於獨立可變頻率AC發電機裝置之控制信號耦合器的實施例之 圖式。
圖4為描繪用於獨立速度可變頻率AC電力產生之方法的實施例之流程圖。
圖5為描繪控制用於獨立速度可變頻率AC電力產生之旋轉磁場的方法之實施例的流程圖。
雖然本發明易受各種修改及替代形式之影響，但在圖式中以舉例方式展示了特定實施例，且將在本文中對其進行詳細描述。然而，應理解本發明並不意欲限制於所揭示之特定形式。確切地說，意圖係涵蓋屬於本發明之範疇的所有修改、等效物及替代例。
參看圖1，描繪獨立速度可變頻率AC發電機裝置100之實施例。裝置100可包括轉子102及定子104。圖1描繪在AC電力產生之不同階段中的轉子102及定子104之特徵。舉例而言，轉子102及定子104之組件可對應於導頻永磁發電機(permanent magnet generator；PMG)級106、高頻(high frequency；HF)變壓器級108、場控制級110及主機器級112。
轉子102可藉由原動機118旋轉。舉例而言，原動機可為渦輪引擎或用於施加旋轉之另一機構。轉子102可包括磁場源120。在一些實施例中，磁場源120可為永久磁體。裝置100可進一步包括定位於定子104上的導頻繞組122。
在導頻PMG級106期間，原動機118可相對於定子104旋轉轉子102。當轉子102旋轉時，固定至轉子102的磁場源120及其相關聯磁場亦可旋轉。導頻繞組122可經配置，使得磁場源120之旋轉產生三相AC電力信號。三相AC電力信號可具有對應於並取決於轉子102之旋轉頻率的頻率。
裝置100可進一步包括一發電機控制單元124。發電機控制單元124可執行裝置100內之多個控制功能。為了執行該等功能，發電機控制單元124 可包括一電力調變器電路(圖中未示)。發電機控制單元124亦可包括經配置以產生控制信號之一處理器(圖中未示)。舉例而言，發電機控制單元124可包括一中央處理單元(central processing unit；CPU)、一圖形處理單元(graphical processing unit；GPU)、一數位信號處理器(digital signal processor；DSP)、一周邊介面控制器(peripheral interface controller；PIC)、另一類型之微處理器及/或其組合。發電機控制單元可經實施為積體電路、現場可程式閘陣列(FPGA)、特定應用積體電路(ASIC)、邏輯閘電路之組合、其他類型之數位或類比電氣設計組件，或其組合。
裝置100可包括定位於定子104上之一第一HF變壓器繞組126及定位於轉子102上之一第二HF變壓器繞組128。合起來，HF變壓器繞組126、128可組成一HF變壓器以將電力自定子104傳輸至轉子102。在HF變壓器級108期間，發電機控制單元124可調變自導頻繞組122接收之三相AC電力信號以產生HF三相AC電力信號。如本文中所使用，高頻意謂信號之頻率大於轉子102之旋轉頻率。隨著HF三相電力信號之頻率增加，轉子102之旋轉的效應變得不大顯著。此使HF三相電力信號能夠自第一HF變壓器繞組126傳輸至第二HF變壓器繞組128而無由轉子102之旋轉所引起的顯著干擾或功率損耗。因為電力係經由HF變壓器繞組126、128傳輸，所以HF變壓器級108可省略在定子104與轉子102之間的接觸電力傳輸機構。舉例而言，雖然典型電力傳輸機構可包括一滑環或類似之接觸電力傳輸機構，但裝置100省略此等接觸機構。藉由消除定子104與轉子102之間的接觸，可避免效能問題，諸如，電弧作用、磨損及接觸電阻。此可導致較大可靠性、較低維護成本、較少停工時間及減少之電力損失。可存在其他優點。
裝置100亦可包括整流器130及反相器132。發電機控制單元124可經由控制信號耦合器136與反相器132通信。在場控制級110期間，HF三相電力信號可自第二HF變壓器繞組128傳輸至整流器130。整流器130可將HF三相AC電 力信號轉換成DC電力信號。DC電力信號接著可傳輸至反相器132。反相器132可經配置以經由控制信號耦合器136接收來自發電機控制單元124之控制信號。基於藉由發電機控制單元124經由控制信號設定的切換參數，反相器132可將DC電力信號轉換成三相AC電力信號。藉由控制反相器132內之切換，發電機控制單元124可控制三相AC電力信號之頻率、相位、振幅及/或其他屬性。
裝置100可包括主轉子繞組134及主定子繞組138。在主機器級112期間，來自反相器132之三相AC電力信號可驅動主轉子場繞組134以產生相對於轉子102旋轉的磁場。藉由控制三相AC電力信號，發電機控制單元124可控制相對於轉子102的磁場之方向、旋轉頻率、振幅及/或相位。在轉子102額外旋轉情況下，可產生具有與轉子102之旋轉頻率無關的旋轉頻率之旋轉磁場。因而，在主定子繞組138處產生的三相AC電力信號之頻率亦可與轉子102之旋轉頻率無關。雖然主轉子場繞組134經描述為三相繞組，但受益於本發明之一般熟習此項技術者將理解替代繞組設定(包括多於三相)可用於產生相對於轉子102旋轉的磁場。
裝置100可包括提供電力至系統及/或器件(圖中未示)的電力分配線140。在一些實施例中，電力分配線140可提供電力至運輸工具(諸如但不限於飛機或飛行器)，且可用以驅動推進馬達。
裝置100之益處在於藉由在主轉子場繞組134處產生相對於轉子102旋轉之磁場，可在主定子繞組138處產生具有獨立於轉子102之旋轉頻率或相位並與附接至轉子102之永久磁體的強度無關的頻率、相位及量值的三相AC電力信號。可存在其他優點。
參看圖2，描繪用於獨立速度可變頻率AC發電機之控制信號系統200。控制信號系統200在功能上描繪為包括求和點206、218、244、絕對值功能212、234及正負號功能250。儘管在功能上描繪，但此等元件中之每一者可使用 結構組件來實施。舉例而言，第一求和點206可實施為邏輯硬體(數位邏輯閘或類比比較器電路)或在發電機控制單元124(圖1所示)內執行的軟體。第二求和點218可使用邏輯硬體及/或附接至轉子102之處理器來實施。同樣，第三求和點244可實施為邏輯硬體及/或在發電機控制單元124內執行的軟體。絕對值功能212、234及正負號功能250亦可實施為邏輯硬體及/或在附接至轉子102之處理器上執行的軟體。
儘管圖1將發電機控制單元124描繪為附接至定子104，但多個控制器組件可附接至轉子102。舉例而言，求和點218、絕對值功能212、234及正負號功能250可被視為發電機控制單元124之部分，但可實施為附接至轉子102之電路。
系統200可接收參考頻率信號202。參考頻率信號202可表示AC電力供應器之所需頻率。詳言之，AC電力供應器可用於航空應用且可供應電力至推進馬達及/或其他系統及器件。參考頻率信號202可為「固線式接線」至發電機控制單元124中之恆定輸入信號或其可為可調整的輸入。舉例而言，系統200可經配置以輸出可變頻率以滿足特定負荷之需要。在需要恆定頻率之情況下，其可輸出固定頻率。在其他情況下，例如當負荷為馬達時，系統200可輸出可變頻率以滿足速度變化需要。可經由在處理器(例如發電機控制單元124之處理器)處執行的軟體或經由其他邏輯及/或硬體產生參考頻率信號202。在說明性實例中，參考頻率信號202可等於400Hz。然而，此頻率僅出於說明目的。如上所解釋，參考頻率信號202可為靜態或動態的，且可基於特定負荷而修改。
參考頻率信號202可在第一求和點206處與轉子頻率信號204組合，且可產生表示參考頻率信號202與轉子頻率信號204之間的差異的第一中間信號208。在概念上，第一中間信號208可表示旋轉磁場之旋轉頻率相對於(from)轉子102之所量測旋轉頻率的所需變化。關於上文之說明性實例，若轉子頻率信 號204等於300Hz，則第一中間信號208將等於100Hz，其表示頻率自轉子102之旋轉頻率(亦即300Hz)的所需增加以便等於參考頻率信號202(亦即400Hz)。第一中間信號208可經由控制信號耦合器136自定子(例如定子104)傳輸至轉子102。
在轉子102上，第一中間信號208可輸入至絕對值功能212中以產生第一中間信號208之量值信號214。在第二求和點218處，第一中間信號208之量值信號214可與主場頻率信號232之量值信號216組合以產生第二中間信號220。第二中間信號220可表示第一中間信號208之量值與主場頻率信號232之量值之間的差異。換言之，第二中間信號220可表示主旋轉磁場之旋轉頻率相對於轉子主場繞組134處的主旋轉磁場之當前旋轉頻率的所需變化。繼續上述實例，若主場頻率信號232等於90Hz，則第二中間信號220將等於10Hz，其表示旋轉磁場之旋轉頻率相對於轉子102的所需增加。
換言之，在說明性實例中，主旋轉磁場可以90Hz之頻率相對於轉子102旋轉，且轉子102可以300Hz之頻率相對於定子104旋轉。因此，主旋轉磁場可以390Hz之頻率相對於定子104旋轉。為了產生具有400Hz之頻率的電力信號，主旋轉磁場之旋轉頻率將需要增加10Hz。因而，在此實例中，第二中間信號220將等於10Hz。
第二中間信號220可經提供至第一比例-積分-導數(PID)控制器222。第一PID控制器222可將第二中間信號220轉換成一反相器控制信號224，該反相器控制信號引導反相器132調整經提供至轉子主場繞組134之三相電流228。三相電流228當通過轉子主場繞組134時可產生旋轉磁場，其中旋轉磁場之頻率、量值及相位取決於三相電流228之頻率、量值及相位。藉由調整三相電流228，反相器132可控制旋轉磁場相對於轉子102之旋轉，藉此分隔旋轉磁場之旋轉頻率與轉子102之旋轉頻率。第一PID控制器222可為發電機控制單元124之部 分且可耦接至轉子102。
自三相電流228，主場頻率信號232可經量測並推導以用作第二求和點218處之回饋信號。主場頻率信號232可通過絕對值功能234以產生在第二求和點218處使用的主場頻率信號232之量值信號216。同樣，轉子速度編碼器可基於轉子102之旋轉頻率量測並推導轉子頻率信號204。馬達速度編碼器可包括附接至轉子之第一部分236，及附接至定子之第二部分237。在一些實施例中，第一部分可為磁性或光學源且第二部分237可為經配置以基於自磁性或光學源接收之信號計算轉子102之旋轉頻率的偵測器。轉子頻率信號204可作為在第一求和點206處使用的回饋信號提供。
第一中間信號208亦可經傳遞至正負號功能250。正負號功能250可將第一中間信號208轉換成方向信號252。方向信號252可指示旋轉磁場相對於轉子102之所需旋轉方向。負方向信號可指示所需旋轉頻率小於轉子102之旋轉頻率。正方向信號可指示所需旋轉頻率大於轉子102之旋轉頻率。方向信號252可由反相器132使用以控制三相電流228以實施旋轉磁場相對於轉子102的旋轉之所需方向。
系統200可進一步接收參考電壓信號238。參考電壓信號238可表示AC電力供應器之所需電壓。詳言之，AC電力供應器可用於航空應用且可供應電力至推進馬達及/或其他系統及器件。參考電壓信號238可為「固線式接線」至發電機控制單元124中之恆定輸入信號或其可為可調整的輸入。該參考電壓信號可經由在處理器(例如發電機控制單元124之處理器)處執行的軟體或經由其他邏輯及/或硬體產生。在說明性實例中，參考電壓信號238可等於105 VAC或230 VAC。
參考電壓信號238可在第三求和點244處與定子輸出電壓信號242組合，且可產生表示參考電壓信號238與定子輸出電壓信號242之間的差異的第 三中間信號240。在概念上，第三中間信號240可表示在主級定子繞組138處產生的電壓根據在轉子主場繞組134處之旋轉磁場的所需變化。第三中間信號240可經由控制信號耦合器136自定子(例如定子104)傳輸至轉子102。
第三中間信號240可經提供至第二PID控制器246。第二PID控制器246可將第三中間信號240轉換成一反相器控制信號248，該反相器控制信號引導反相器132調整經提供至轉子主場繞組134之三相電流228。詳言之，三相電流228之量值可經調整以增加或減少旋轉磁場之量值，藉此產生在主級定子繞組138處產生的較高或較低電壓。如同第一PID控制器222，第二PID控制器246可為發電機控制單元124之部分且可耦接至轉子102。
系統200之益處在於旋轉磁場之相位、量值及頻率中之每一者可在轉子主場繞組134處被控制以便產生主級定子繞組138處之AC電源，該AC電源具有與轉子102之頻率無關的頻率、相位及電壓。可存在其他優點。
參看圖3，描繪用於獨立可變頻率AC發電機裝置之控制信號耦合器136的實施例。控制信號耦合器136可包括第一收發器302及第二收發器304。在一些實施例中，控制信號耦合器136可經配置用於單向通信。在彼情況下，第一收發器302可實際上為傳輸器而第二收發器304可實際上為接收器，且反之亦然。
控制信號耦合器136可進一步包括第一通信碟306(其可附接至定子(例如定子104))，及一或多個第二通信碟308(其可附接至轉子102)。在一些實施例中，第一通信碟306可包括光源(例如發射器)且第二通信碟308可包括光偵測器(例如光電晶體)。
在操作期間，控制信號310可發送至第一收發器302。當轉子102旋轉時，第一收發器302可將資料自第一通信碟306傳輸至一或多個第二通信碟308。傳輸可經時控，使得當一或多個第二通信碟308面對第一通信碟306時傳輸 發生。當一或多個第二通信碟308背對時傳輸可暫停。雖然圖3描繪四個第二通信碟308，但多於或少於四個係可能的。具有更多第二通信碟308可減少通信中之中斷。
控制信號耦合器136之益處在於與接觸信號耦合器相比其可產生較小摩擦。此可導致裝置100處之較小電力損失。如本文中所解釋，藉由去除定子104與轉子102之間的接觸，可避免效能問題，諸如電弧作用、磨損及接觸電阻。此可導致較大可靠性、較低維護成本、較少停工時間及減少之電力損失。可存在其他優點。
參看圖4，描繪用於獨立速度可變頻率AC電力產生之方法400的實施例。方法400可包括在402處在轉子旋轉後在附接至轉子之磁場源處產生第一旋轉磁場，其中第一旋轉磁場之旋轉頻率取決於轉子之旋轉頻率。舉例而言，當轉子102旋轉時可在磁場源120處產生第一旋轉磁場。
方法400可進一步包括在404處將第一旋轉磁場轉換成AC電力信號。舉例而言，導頻繞組122可經配置以將第一旋轉磁場轉換成經傳遞至發電機控制單元124之AC電力信號。
方法400亦可包括在406處調變AC電力信號以產生高頻AC電力信號。舉例而言，發電機控制單元124可調變AC電力信號以產生經傳遞至第一HF變壓器繞組126的HF三相AC電力信號。
方法400可包括在408處將高頻AC電力信號自定子傳輸至轉子。舉例而言，第一HF變壓器繞組126可傳輸HF AC電力信號至第二HF變壓器繞組128。
方法400可進一步包括在410處將高頻AC電力信號轉換成DC電力信號。舉例而言，整流器130可將HF AC電力信號轉換成經傳輸至反相器132之DC電力信號。
方法400亦可包括在412處將DC電力信號轉換成主場AC電力信號，其中附接至轉子之主轉子繞組係以主場AC電力信號驅動。舉例而言，反相器132可將DC電力信號轉換成主場AC電力信號以驅動主轉子繞組134。
方法400可包括在414處在轉子旋轉後在主轉子繞組處產生第二旋轉磁場，其中第二旋轉磁場之旋轉頻率與轉子之旋轉頻率無關。舉例而言，基於主場AC電力信號，主轉子繞組134可產生獨立於轉子102旋轉之第二旋轉磁場。
方法400亦可包括在416處在附接至定子之主定子繞組處將第二旋轉磁場轉換成AC電力信號。舉例而言，主定子繞組138可將第二旋轉磁場轉換成AC電力信號以用於分配至各種AC系統。
方法400之益處在於，藉由產生獨立於轉子102旋轉之第二旋轉磁場，用於AC系統之電力信號的頻率、相位及量值可獨立於轉子102之旋轉頻率。另外，與包括額外級之典型恆定速度電力產生系統相比，可需要較少電力轉換級來產生電力。藉由需要較少級，方法400可按較高效率及較低重量需求執行。可存在其他優點。
參看圖5，描繪控制用於獨立速度可變頻率AC電力產生之旋轉磁場之方法500。方法500可結合圖4之方法400使用，或用作方法400之部分。
方法500可包括在502處接收來自發電機控制單元之一參考頻率信號。舉例而言，參考頻率信號202可在發電機控制單元124處接收。
方法500可進一步包括在504處產生一第一中頻信號，該第一中頻信號為參考頻率信號與同轉子之旋轉頻率相關聯的轉子頻率信號之差異。舉例而言，可產生第一中間信號208。
方法500亦可包括在506處將第一中頻信號經由控制信號耦合器自定子傳遞至轉子，該控制信號耦合器包括附接至定子之至少一個第一通信碟 及附接至轉子之至少一個第二通信碟。舉例而言，第一中間信號208可經由控制信號耦合器136傳遞至轉子102，該控制信號耦合器可包括第一通信碟306及至少一個第二通信碟308。
方法500亦可包括在508處產生一第二中頻信號，其為第一中頻信號與同相對於轉子之第二磁場之旋轉頻率相關聯的主場頻率信號的差異。舉例而言，可產生第二中間信號220。
方法500可包括在510處將第二中頻信號轉換成反相器控制信號以引導反相器更改主場AC電力信號以加速或減緩第二旋轉磁場相對於轉子的旋轉。舉例而言，第二中間信號220可在第一PID控制器222處轉換為反相器控制信號224。
方法500可進一步包括在512處判定第一中間信號之正負號，及產生第二反相器控制信號以引導反相器相對於轉子在對應於中間信號之正負號之方向上旋轉第二旋轉磁場。舉例而言，第一中間信號208之正負號可在正負號功能250處經判定並傳遞至反相器132。
方法500亦可包括在514處接收來自發電機控制單元之參考電壓信號。舉例而言，參考電壓信號238可自發電機控制單元124接收。
方法500可包括在516處產生一中間電壓信號，其為參考電壓信號與同AC電力信號相關聯的電壓信號之間的差異。舉例而言，可產生中間電壓信號240。
方法500可進一步包括在518處將中間電壓信號轉換成反相器控制信號以引導反相器更改主場AC電力信號以增大或減小第二旋轉磁場之量值。舉例而言，中間電壓信號240可轉換為反相器控制信號248。
另外，本發明包含根據以下條款之實施例：
條款1：一種獨立速度可變頻率交流(AC)發電機裝置，其包含： 一轉子及一定子，該轉子經配置以相對於該定子旋轉；一磁場源，其附接至該轉子並經配置以在該轉子旋轉後產生一第一旋轉磁場，其中該第一旋轉磁場之一旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率；及一主轉子繞組，其附接至該轉子並經配置以在該轉子之該旋轉後產生一第二旋轉磁場，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關。
條款2：如第1條款之裝置，其中該磁場源包括一永久磁體。
條款3：如第1條款之裝置，其進一步包含：一導頻繞組，其附接至該定子並經配置以將該第一旋轉磁場轉換成一AC電力信號。
條款4：如第3條款之裝置，其進一步包含：一發電機控制單元，其經配置以調變該AC電力信號以產生一高頻AC電力信號以供傳輸至該轉子，其中該高頻AC電力信號之一頻率大於該轉子之該旋轉頻率。
條款5：如第1條款之裝置，其進一步包含經配置以將一高頻AC電力信號自該定子傳輸至該轉子的一高頻變壓器。
條款6：如第5條款之裝置，其中該高頻變壓器包括附接至該定子之一第一電力變壓器繞組及附接至該轉子之一第二電力變壓器繞組，其中該第一電力變壓器繞組經配置以傳送該高頻AC電力信號至該第二電力變壓器繞組。
條款7：如第5條款之裝置，其中該高頻變壓器省略該定子與該轉子之間的接觸電力傳輸機構。
條款8：如第1條款之裝置，其進一步包含：一整流器，其附接至該轉子並經配置以將一高頻AC電力信號轉換成一直流電力信號。
條款9：如第1條款之裝置，其進一步包含：一反相器，其附接至該轉子並經配置以將一直流電力信號轉換成一主場AC電力信號，其中該主轉子場繞組係以該主場AC電力信號來驅動。
條款10：如第9條款之裝置，其進一步包含：一發電機控制單元， 其耦接至該反相器並經配置以控制該主場AC電力信號，藉此控制相對於該轉子的該第二旋轉磁場之一轉速、一方向、一振幅，或其任何組合。
條款11：如第10條款之裝置，其中該發電機控制單元包括附接至該定子之控制電路及附接至該轉子之控制電路，其中附接至該轉子之該控制電路包括至少一個比例-積分-導數(PID)控制器。
條款12：如第11條款之裝置，其中該至少一個PID控制器耦接至該反相器以控制該第二旋轉磁場之一頻率，且其中附接至該轉子之該控制電路包括耦接至該反相器以控制該第二旋轉磁場之一量值的一額外PID控制器。
條款13：如第11條款之裝置，其中附接至該定子之該控制電路經由一控制信號耦合器通信耦接至附接至該轉子之該控制電路，該控制信號耦合器包括附接至該定子之至少一個第一通信碟及附接至該轉子之至少一個第二通信碟。
條款14：如第13條款之裝置，其中該第一通信碟包括一光信號源且其中該第二通信碟包括一光電晶體。
條款15：如第1條款之裝置，其進一步包含：一主定子繞組，其經配置以將該第二旋轉磁場轉換成一AC電力信號。
條款16：一種用於獨立速度可變頻率交流(AC)電力產生之方法，其包含：在一轉子旋轉後在附接至該轉子之一磁場源處產生一第一旋轉磁場，其中該第一旋轉磁場之一旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率；及在該轉子之該旋轉後在附接至該轉子之一主轉子繞組處產生一第二旋轉磁場，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關；及在附接至一定子之一主定子繞組處將該第二旋轉磁場轉換成一AC電力信號。
條款17：如第16條款之方法，其進一步包含：將該第一旋轉磁場轉換成該AC電力信號；調變該AC電力信號以產生一高頻AC電力信號；將該高 頻AC電力信號自該定子傳輸至該轉子；將該高頻AC電力信號轉換成一直流(DC)電力信號；及將該DC電力信號轉換成一主場AC電力信號，其中該主轉子繞組係以該主場AC電力信號來驅動。
條款18：如第16條款之方法，其中產生該第二旋轉磁場包含：接收來自一發電機控制單元之一參考頻率信號；產生一第一中頻信號，該第一中頻信號為該參考頻率信號與同該轉子之該旋轉頻率相關聯的一轉子頻率信號的一差異；產生一第二中頻信號，該第二中頻信號為該第一中頻信號與同相對於該轉子之該第二旋轉磁場之一旋轉頻率相關聯的一主場頻率信號的一差異；及將該第二中頻信號轉換成一反相器控制信號以引導一反相器更改一主場AC電力信號以加速或減緩該第二旋轉磁場相對於該轉子之旋轉。
條款19：如第18條款之方法，其中該第一中頻信號經由一控制信號耦合器自該定子傳遞至該轉子，該控制信號耦合器包括附接至該定子之至少一個第一通信碟及附接至該轉子之至少一個第二通信碟。
條款20：如第18條款之方法，其中產生該第二旋轉磁場進一步包含：判定該第一中頻信號之一正負號；及產生一第二反相器控制信號以引導該反相器相對於該轉子在對應於該中間信號之該正負號的一方向上旋轉該第二旋轉磁場。
條款21：如第18條款之方法，其進一步包含：接收來自該發電機控制單元之一參考電壓信號；產生一中間電壓信號，其為該參考電壓信號與同該AC電力信號相關聯的一電壓信號之間的一差異；及將該中間電壓信號轉換成一反相器控制信號以引導該反相器更改一主場AC電力信號以增大或減小該第二旋轉磁場之一量值。
條款22：一交流(AC)發電機轉子器件，其包含：一磁場源，其經配置以在一轉子之旋轉後產生一第一旋轉磁場，其中該第一旋轉磁場之一 旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率；及一主轉子繞組，其經配置以在該轉子之該旋轉後產生一第二旋轉磁場，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關。
條款23：如第22條款之器件，其進一步包含：一電力變壓器繞組，其經配置以接收一高頻AC電力信號；一整流器，其經配置以將該高頻AC電力信號轉換成一直流(DC)電力信號；及一反相器，其經配置以將該DC電力信號轉換成一主場AC電力信號，其中該主轉子繞組係以該主場AC電力信號驅動。
儘管已展示及描述各種實施例，但本發明並不如此受限且應理解為包括如將為熟習此項技術者顯而易見的所有此等修改及變化。
100‧‧‧獨立速度可變頻率AC發電機裝置
102‧‧‧轉子
104‧‧‧定子
106‧‧‧導頻永磁發電機(PMG)級
108‧‧‧高頻(HF)變壓器級
110‧‧‧場控制級
112‧‧‧主機器級
118‧‧‧原動機
120‧‧‧磁場源
122‧‧‧導頻繞組
124‧‧‧發電機控制單元
126‧‧‧第一HF變壓器繞組
128‧‧‧第二HF變壓器繞組
130‧‧‧整流器
132‧‧‧反相器
134‧‧‧主轉子繞組
136‧‧‧控制信號耦合器
138‧‧‧主定子繞組
140‧‧‧電力分配線

Claims (10)

  1. 一種獨立速度可變頻率交流(AC)發電機裝置(100)，其包含：一轉子(102)及一定子(104)，該轉子經配置以相對於該定子旋轉；一磁場源(120)，其附接至該轉子並經配置以在該轉子之旋轉後產生一第一旋轉磁場(128)，其中該第一旋轉磁場之一旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率；及一主轉子繞組(134)，其附接至該轉子並經配置以在該轉子之該旋轉後產生一第二旋轉磁場，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該磁場源包括一永久磁體。
  3. 如請求項1所述之裝置，其進一步包含：一導頻繞組(122)，其附接至該定子且經配置以將該第一旋轉磁場轉換成一AC電力信號。
  4. 如請求項1所述之裝置，其進一步包含：一高頻變壓器(126、128)，其經配置以將一高頻AC電力信號自該定子傳輸至該轉子。
  5. 如請求項1所述之裝置，其進一步包含：一整流器(130)，其附接至該轉子且經配置以將一高頻AC電力信號轉換成一直流電力信號。
  6. 如請求項1所述之裝置，其進一步包含：一反相器(132)，其附接至該轉子且經配置以將一直流電力信號轉換成一主場AC電力信號(140)，其中該主轉子繞組係以該主場AC電力信號來驅動。
  7. 如請求項1所述之裝置，其進一步包含：一主定子繞組(138)，其經配置以將該第二旋轉磁場轉換成一AC電力信號 (140)。
  8. 一種用於獨立速度可變頻率交流(AC)電力產生之方法(400)，其包含：在一轉子之旋轉後，在附接至該轉子(102)之一磁場源(120)處產生(402)一第一旋轉磁場，其中該第一旋轉磁場之一旋轉頻率取決於該轉子之一旋轉頻率；及在該轉子之該旋轉後，在附接至該轉子之一主轉子繞組(134)處產生(414)一第二旋轉磁場，其中該第二旋轉磁場之一旋轉頻率與該轉子之該旋轉頻率無關。
  9. 如請求項8所述之方法，其進一步包含：將該第一旋轉磁場轉換(404)成一AC電力信號；調變(406)該AC電力信號以產生一高頻AC電力信號；將該高頻AC電力信號自一定子傳輸(408)至該轉子；將該高頻AC電力信號轉換(410)成一直流(DC)電力信號；及將該DC電力信號轉換(412)成一主場AC電力信號(140)，其中該主轉子繞組係以該主場AC電力信號來驅動。
  10. 如請求項8所述之方法，其中產生該第二旋轉磁場包含：接收(502)來自一發電機控制單元(124)之一參考頻率信號(202)；產生(504)一第一中頻信號(208)，其為該參考頻率信號與一轉子頻率信號(204)之一差異，該轉子頻率信號與該轉子之該旋轉頻率相關聯；產生(508)一第二中頻信號(220)，其為該第一中頻信號與一主場頻率信號(232)的一差異，該主場頻率信號係相關聯於一旋轉頻率，該旋轉頻率係該第二旋轉磁場相對於該轉子之旋轉頻率；及將該第二中頻信號轉換(510)成一反相器控制信號(224、248)以引導一 反相器(132)更改一主場AC電力信號(140)以加速或減緩該第二旋轉磁場相對於該轉子之旋轉；其中該方法進一步包含：在附接至一定子(104)之一主定子繞組(138)處將該第二旋轉磁場轉換(416)成一AC電力信號。
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