專利名稱：具有在低速范圍內(nèi)改進(jìn)的發(fā)電效率的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)磁阻(SR)發(fā)電機(jī)，尤其是涉及一種具有在低速范圍內(nèi)改進(jìn)的發(fā)電性能的SR發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
SR發(fā)電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，該設(shè)備通過電子開關(guān)將電能從電壓源施加于繞組，該繞組在轉(zhuǎn)子角規(guī)定范圍內(nèi)具有至少一相，該設(shè)備從隨后的轉(zhuǎn)子角范圍的相繞組收回的能量大于前面所施加能量。此額外的能量是機(jī)械能，且通過施加沿旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩而傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。這種SR發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于因?yàn)槠湟噪娏髟葱问捷敵鏊运軌蛟诘退俜秶鷥?nèi)產(chǎn)生能量。
傳統(tǒng)地，感應(yīng)發(fā)電機(jī)或者同步發(fā)電機(jī)已經(jīng)用來作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且造價(jià)便宜，但是其缺點(diǎn)在于其需要附加的齒輪箱以在發(fā)電時(shí)保持穩(wěn)定的速度，且發(fā)電所必須的風(fēng)速范圍有限。同步發(fā)電機(jī)的缺陷在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。另外，在同步發(fā)電機(jī)中，在風(fēng)速低時(shí)因?yàn)閺陌l(fā)電機(jī)輸出的電壓小，所以電池組不充電。因此，在諸如韓國這樣的低風(fēng)速區(qū)域，采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)或者同步發(fā)電機(jī)發(fā)電非常困難。在研制即使在低速范圍內(nèi)也能夠通過風(fēng)力有效發(fā)電的發(fā)電機(jī)時(shí)，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)SR發(fā)電機(jī)以使其可以應(yīng)用于這種區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種能夠在低速范圍內(nèi)發(fā)電的SR發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明還提供了一種結(jié)構(gòu)簡單且經(jīng)久耐用的SR發(fā)電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的方案，本發(fā)明提供了一種SR發(fā)電機(jī)，其構(gòu)造成纏繞在定子周圍的相繞組的電感在低速范圍內(nèi)增加并在高速范圍內(nèi)減小。
因此，因?yàn)殡姼邢鄬τ谙辔唤堑淖兓试诘退俜秶鷥?nèi)變大，導(dǎo)致在低速范圍內(nèi)輸出的能量增加并改進(jìn)了發(fā)電效率。
定子的相繞組可以構(gòu)造為具有單相。因此，因?yàn)樵摪l(fā)電機(jī)構(gòu)造為具有數(shù)量縮減的開關(guān)，其制造成本不高且簡單。


通過參照附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。其中圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SR發(fā)電機(jī)構(gòu)造的方框圖；圖2為示出在SR發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的相電感、發(fā)電機(jī)電流以及電動(dòng)機(jī)電流相對于相位角的關(guān)系曲線圖；圖3示出了SR發(fā)電機(jī)中單相定子的連接結(jié)構(gòu)，其中相繞組由三個(gè)單位繞組構(gòu)成；圖4A示出了具有圖3中所示連接結(jié)構(gòu)的定子在低速范圍內(nèi)的連接模式；圖4B示出了定子在高速范圍內(nèi)的連接模式；圖5A示出了在低速范圍內(nèi)具有圖3中所示連接結(jié)構(gòu)的定子中的電感和發(fā)電機(jī)電流之間的關(guān)系；圖5B示出了在高速范圍內(nèi)具有圖3中所示連接結(jié)構(gòu)的定子中的電感和發(fā)電機(jī)電流之間的關(guān)系；以及圖6為在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SR發(fā)電機(jī)中相對于風(fēng)速所產(chǎn)生的能量大小曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SR發(fā)電機(jī)構(gòu)造的方框圖。如圖1中所示，SR發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子10；定子30，其上纏繞有相繞組(phase winding)驅(qū)動(dòng)開關(guān)100，其控制相繞組300中的電流流動(dòng)；以及功率控制器500，其控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)100的切換。SR發(fā)電機(jī)構(gòu)造成使相繞組300的電感在低速范圍內(nèi)變大而在高速范圍內(nèi)變小。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的SR發(fā)電機(jī)還包括相繞組300，其具有多個(gè)單位繞組(unit winding)310、330、350以及使所述單位繞組之間彼此連接或者斷開的至少一個(gè)繞組開關(guān)340、360；速度檢測器530，其檢測轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)速；以及連接控制器700，其根據(jù)速度檢測器530檢測的速度控制繞組開關(guān)340、360的切換，以使繞組的電感在低速范圍內(nèi)變大而在高速范圍內(nèi)變小。
同時(shí)，單相SR發(fā)電機(jī)需要起始勵(lì)磁電流?；谶@個(gè)目的，獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與發(fā)電機(jī)并行設(shè)置的小型同步電動(dòng)機(jī)以供給必需的電力。圖1所示的電流源910和電容器930表示這樣一種起始勵(lì)磁電流系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，定子30的相繞組300為單相繞組。因?yàn)閱蜗郤R發(fā)電機(jī)僅需要用于能量轉(zhuǎn)換的少許開關(guān)，所以單相SR發(fā)電機(jī)能夠廉價(jià)地制造。然而，本發(fā)明并不局限于此。
通過驅(qū)動(dòng)開關(guān)100的電子切換，相繞組300在轉(zhuǎn)子角的規(guī)定范圍內(nèi)從電容器930、電壓電源接收電能，并在隨后的轉(zhuǎn)子角范圍內(nèi)將比前面所接收的能量多的能量供給電池組955?？刂乞?qū)動(dòng)開關(guān)100的電子切換的功率控制器500根據(jù)速度檢測器530檢測的轉(zhuǎn)子10的位置輸出脈沖寬度調(diào)制信號以控制電子切換。另外，功率控制器500通過電流檢測器510檢測發(fā)電機(jī)輸出的電流來調(diào)整脈沖寬度調(diào)制信號，以防止過載電流。同時(shí)，各種類型的功率控制器500在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。另外，使用霍爾傳感器或者電流檢測方法的各種類型的速度檢測器530在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。例如，速度檢測器530能夠通過檢測位移并對位移微分或者通過計(jì)算預(yù)定時(shí)間間隔的從編碼器輸出的脈沖序列來檢測速度。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，SR發(fā)電機(jī)還包括電池組955，其由從定子30的相繞組300輸出的電流來充電；以及增壓直流—交流逆變器400，其將電池組955的輸出電壓增壓。逆變器400的輸出供給負(fù)載600。二極管951、953用于防止對電池組955充電的電力向相繞組300回流。
現(xiàn)在將參考附圖1對根據(jù)本發(fā)明的連接控制器700的運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)說明。連接控制器700根據(jù)速度檢測器530檢測的速度控制相繞組300中的繞組開關(guān)340、360的切換，以改變單位繞組310、330、350的連接模式。
SR發(fā)電機(jī)的電壓方程如下表示v=Ri+dφdt=Ri+Ldidt+idθdtdLdθ=Ri+Ldidt+e]]>(公式1)
其中e=idθdtdLdθ=iωmdLdθ]]>(公式2)這樣，能流表示如下vi=Ri2+Lididt+i2dθdtdLdθ=Ri2+ddt(12Li2)+12i2ωmdLdθ]]>(公式3)其中第一個(gè)項(xiàng)表示銅損，第二個(gè)項(xiàng)表示{鐵損+磁能}，第三個(gè)項(xiàng)表示機(jī)械輸出(即發(fā)電電力)。因?yàn)樵赿L/dθ＞0的范圍內(nèi)機(jī)械輸出為正(+)，所以SR發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，因?yàn)樵赿L/dθ＜0的范圍內(nèi)機(jī)械輸出為負(fù)(-)，所以SR發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。圖2為在SR發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子相電感、發(fā)電機(jī)電流以及電動(dòng)機(jī)電流相對于相位角的關(guān)系的曲線圖。如圖2中所示，在θ＝θmax時(shí)電感具有最大值Lmax，而電感在θ＝θmin時(shí)具有最小值Lmin。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的連接控制器700控制各單位繞組之間的連接，以使各單位繞組在低速范圍內(nèi)彼此串連連接而在高速范圍內(nèi)彼此并聯(lián)連接。在圖1示出的實(shí)施例中，單相的相繞組300由三個(gè)單位繞組310、330、350和控制三個(gè)單位繞組之間連接的兩個(gè)繞組開關(guān)340、360構(gòu)成。圖3示出了在SR發(fā)電機(jī)中定子的連接結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，所述單位繞組分配到由將放射狀設(shè)置的定子磁極等分的相同數(shù)量的相鄰定子磁極構(gòu)成的各組中。此時(shí)，各單位繞組纏繞在定子上，以使在各組中相鄰磁極的極性彼此交替。即，各磁極的極性與相鄰磁極的極性相反。所述磁極由三個(gè)單位繞組分成三組磁極，每組磁極均被單個(gè)的單位繞組纏繞。在圖3中，標(biāo)記“○”或者“×”表示纏繞方向。增加磁極的數(shù)量并改進(jìn)繞組的連接模式可在低速范圍內(nèi)獲得較高的能量效率。
圖4A示出了具有圖3中所示連接結(jié)構(gòu)的定子在低速范圍內(nèi)的連接模式。圖4B示出了定子在高速范圍內(nèi)的連接模式。圖5A示出了在低速范圍內(nèi)具有圖3中所示連接結(jié)構(gòu)的定子中的電感和發(fā)電機(jī)電流之間的關(guān)系。圖5B示出了在高速范圍內(nèi)具有圖3中所示連接結(jié)構(gòu)的定子中的電感和發(fā)電機(jī)電流之間的關(guān)系。
如方程式3中所示，在SR發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的能量表述如下Energy=12i2ωmdLdθ]]>(公式4)
從圖5A中所示的電感曲線圖可看到，因?yàn)閱挝焕@組在低速范圍內(nèi)彼此串連連接，所以電感就變大。這樣，因?yàn)長max和Lmin增加，dL/dθ變大，從而增加了發(fā)電效率。再有，對于勵(lì)磁電流而言，Lmax在低速范圍內(nèi)較大。然而，因?yàn)樗俣鹊?，所以足以提供用于?lì)磁所需的時(shí)間周期，以使能夠獲得足夠的激勵(lì)電流。因此，盡管角速度ω低但dL/dθ卻大，所以在低速范圍內(nèi)依然能夠產(chǎn)生足夠量的能量。
同時(shí)，因?yàn)閱挝焕@組在高速范圍內(nèi)彼此并聯(lián)連接，電感減小。這樣，因?yàn)長max和Lmin減小，dL/dθ變小。然而，因?yàn)榻撬俣圈卮?，在高速范圍?nèi)依然能夠產(chǎn)生足夠量的能量。圖6為示意在根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的SR發(fā)電機(jī)中相對于風(fēng)速所產(chǎn)生的能量大小曲線圖。在該圖中所示的虛線區(qū)域能夠看到已經(jīng)提高了在低速范圍內(nèi)的發(fā)電效率。
根據(jù)如上說明顯而易見的是，根據(jù)本發(fā)明的SR發(fā)電機(jī)進(jìn)行構(gòu)造以使纏繞在定子上的相繞組的電感在低速范圍內(nèi)增加而在高速范圍內(nèi)減小。因此，因?yàn)殡姼邢鄬τ谙辔唤堑淖兓试诘退俜秶鷥?nèi)變大，在低速范圍內(nèi)輸出能量增加，因此改進(jìn)了發(fā)電效率。
再有，根據(jù)本發(fā)明的SR發(fā)電機(jī)進(jìn)行構(gòu)造以使定子的相繞組構(gòu)造為具有單相。因此，開關(guān)的數(shù)量減少，從而減小了成本。
盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的示意實(shí)施例對本發(fā)明說明如上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在本發(fā)明中進(jìn)行各種形式上和細(xì)節(jié)上的改變而不脫離下述權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)磁阻(SR)發(fā)電機(jī)，其包括具有相繞組(300)的定子(30)，相繞組(300)纏繞在定子(30)上以使相繞組(300)具有在低速范圍內(nèi)變大而在高速范圍內(nèi)變小的電感。
2.如權(quán)利要求1所述的SR發(fā)電機(jī)，其中相繞組(300)為單相繞組。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的SR發(fā)電機(jī)，其中相繞組(300)包括多個(gè)單位繞組(310、330和350)；以及至少一個(gè)繞組開關(guān)(340、360)，其用于切換所述單位繞組(310、330和350)之間的連接。
4.如權(quán)利要求3所述的SR發(fā)電機(jī)，其中相繞組(300)中的各單位繞組(310、330和350)分配到定子(30)的多個(gè)磁極組中的相應(yīng)一個(gè)磁極組，以將各單位繞組纏繞在相應(yīng)磁極組上以使在所述對應(yīng)磁極組中的相鄰磁極具有交替的極性，所述多個(gè)磁極組的磁極放射狀設(shè)置且所述多個(gè)磁極組的磁極數(shù)量上被等分以分別構(gòu)成所述磁極組中的相應(yīng)一個(gè)磁極組。
5.如權(quán)利要求3所述的SR發(fā)電機(jī)，該SR發(fā)電機(jī)還包括速度檢測器(530)，其用于檢測與定子(30)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子(10)的轉(zhuǎn)速；以及連接控制器(700)，其根據(jù)速度檢測器(530)檢測的速度來控制繞組開關(guān)(340、360)的切換，以使相繞組(300)的電感在低速范圍內(nèi)變大而在高速范圍內(nèi)變小。
6.如權(quán)利要求5所述的SR發(fā)電機(jī)，其中繞組開關(guān)(340、360)在連接控制器(700)的控制下在低速范圍內(nèi)將單位繞組(310、330和350)串聯(lián)連接而在高速范圍內(nèi)將單位繞組(310、330和350)并聯(lián)連接。
7.如權(quán)利要求5所述的SR發(fā)電機(jī)，該SR發(fā)電機(jī)還包括電池組(955)，其通過從定子(30)的相繞組(300)輸出的電流來對電池組(955)自身充電；以及增壓直流-交流逆變器(400)，其用于對電池組(955)的輸出電壓增壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SR(開關(guān)磁阻)發(fā)電機(jī)，其具有在低速范圍內(nèi)的改進(jìn)的發(fā)電性能。本發(fā)明的SR發(fā)電機(jī)構(gòu)造成使纏繞在定子上的相繞組的電感在低速范圍內(nèi)增加而在高速范圍內(nèi)減小。因此，因?yàn)殡姼邢鄬τ谙辔唤堑淖兓试诘退俜秶鷥?nèi)變大，所以導(dǎo)致在低速范圍內(nèi)輸出的能量增加并改進(jìn)了發(fā)電效率。定子的相繞組可以構(gòu)造為具有單相。因此，因?yàn)樵摪l(fā)電機(jī)構(gòu)造為具有數(shù)量縮減的開關(guān)，所以其制造成本低廉且制造簡單。
文檔編號H02K11/00GK1841915SQ20051004880
公開日2006年10月4日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者林俊榮, 崔鏞遠(yuǎn) 申請人:Lg電子株式會(huì)社