專利名稱：用于永磁發(fā)電機中的電壓調(diào)節(jié)的降壓/升壓方法
背景技術(shù)：
永磁發(fā)電機(PMG)用來將機械能，通常是旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化為電能。典型的永磁發(fā)電機從原動機接收機械能。原動機可以是例如航空器的燃?xì)廨啺l(fā)動機。原動機引起PMG中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由在轉(zhuǎn)子中的永磁體產(chǎn)生的磁通量就會在定子繞組中感應(yīng)出一個電動勢電壓。在每個線圈上感應(yīng)的電壓累積作為輸出電壓提供給負(fù)載。
由PMG產(chǎn)生的輸出電壓既依賴于原動機的速度，也依賴于負(fù)載的總體阻抗。那就是說，當(dāng)原動機的轉(zhuǎn)速有一個下降，繼而引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，定子繞組感應(yīng)的輸出電壓就會有一個下降。而原動機轉(zhuǎn)速的升高，相應(yīng)定子線圈感應(yīng)的輸出電壓也會有一個升高。同樣地，負(fù)載阻抗的降低會引起PMG的輸出電壓的升高，而負(fù)載阻抗的升高則會引起PMG的輸出電壓的降低。
在許多應(yīng)用中，PMG的輸出電壓的變化是不能接受的。然而，精確控制原動機的轉(zhuǎn)速或者負(fù)載阻抗也不總是可能的。在一些應(yīng)用中，更理想的是在原動機轉(zhuǎn)速或負(fù)載阻抗變化的情況下保持PMG輸出電壓的基本穩(wěn)定。在其他應(yīng)用中，更理想的是能在不必修正原動機速度或負(fù)載阻抗的情況下控制PMG的輸出電壓。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明是一個可調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個原動機、一個具有連接原動機的轉(zhuǎn)子的PMG，一個具有定子齒的定子，以及纏繞在定子齒上且被分成多個子線圈的定子線圈。降壓/升壓電壓同選定的子線圈相連接，其中在選定的子線圈中施加降壓/升壓來升高或降低輸出電壓?？刂破鞅O(jiān)測輸出電壓并基于監(jiān)測的輸出電壓選擇性地施加降壓/升壓電壓到子線圈。
另一方面，本發(fā)明提出一種保持永磁發(fā)電機的輸出電壓的方法。該方法包括產(chǎn)生一個輸出電壓，其中定子線圈被分成多個子線圈，選定的子線圈被連接在一起以產(chǎn)生輸出電壓。輸出電壓的變化可以被監(jiān)測，同時基于監(jiān)測到的輸出電壓，將降壓/升壓電壓施加到?jīng)]有連接以產(chǎn)生輸出電壓的子線圈，從而升高或降低輸出電壓。


圖1是本發(fā)明的永磁發(fā)電機系統(tǒng)的功能方塊圖，該系統(tǒng)可以保持恒定的輸出電壓。
圖2是剖視圖，顯示了本發(fā)明的永磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。
圖3是電路圖，顯示了第一種結(jié)構(gòu)連接的PMG的定子線圈，其中第一子線圈串聯(lián)連接，第二子線圈串聯(lián)連接。
圖4A-4C是電路圖，顯示了對于連接第一種結(jié)構(gòu)的PMG的第二子線圈不施加電壓、施加一個升壓電壓或施加一個降壓電壓的效果。
圖5是電路圖，顯示了第二種結(jié)構(gòu)連接的PMG的定子線圈，其中第一子線圈與第二子線圈串聯(lián)連接。
圖6是電路圖，顯示了第二種結(jié)構(gòu)連接的PMG的第一和第二子線圈的效果。
圖7是電路圖，顯示PMG的定子線圈被分成三個子線圈。
具體實施例方式
圖1顯示了本發(fā)明永磁發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)10的一個實施例，其中包括原動機12，永磁發(fā)電機(PMG)14，三相輸出電壓VoA，VoB和VoC，負(fù)載16，控制器18，開關(guān)陣列19，和降壓/升壓電壓源20。原動機12與PMG14相連，給PMG14提供旋轉(zhuǎn)的機械能。PMG14將原動機12提供的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并將其輸出到負(fù)載16上，其顯示為三相輸出電壓VoA，VoB，VoC(統(tǒng)一稱為“輸出電壓Vo”)。
在PMG14的外部有兩個變量影響輸出電壓Vo。第一個是原動機12的旋轉(zhuǎn)速度。如果原動機12旋轉(zhuǎn)得更快，輸出電壓Vo就會上升。如果原動機12旋轉(zhuǎn)得更慢，輸出電壓Vo就會下降。影響輸出電壓Vo的第二個變量就是負(fù)載16的阻抗。如果負(fù)載16的阻抗升高，則由PMG14提供的輸出電壓Vo就會下降。如果負(fù)載16的阻抗降低，則由PMG14提供的輸出電壓Vo就會上升。在很多應(yīng)用中，原動機的轉(zhuǎn)速和負(fù)載阻抗都不是容易被控制的。本發(fā)明提出了一個系統(tǒng)和方法，其能在原動機12的轉(zhuǎn)速和負(fù)載16的阻抗變化的情況下保持相對恒定的輸出電壓Vo。
為了保持一個恒定的輸出電壓Vo，控制器18監(jiān)測輸出電壓Vo。如果探測到了輸出電壓Vo的變化，控制器18就會有選擇地操作開關(guān)陣列19中的多個開關(guān)(如圖3、5和7所示)來配置定子線圈(如圖2-7所示)，從而有效調(diào)節(jié)輸出電壓Vo。每一個定子線圈都被分為兩個或多個子線圈。依據(jù)所探測到的輸出電壓Vo，控制器18控制開關(guān)陣列19中的開關(guān)與子線圈連接成很多可能結(jié)構(gòu)中的一種，從而得到理想的輸出電壓。控制器18同時負(fù)責(zé)控制降壓/升壓電壓Vbb何時以及如何施加到PMG14的子線圈上。當(dāng)降壓/升壓電壓Vbb施加于子線圈上時，可以用來降壓(降低)或者升壓(升高)輸出電壓Vo，就如其名字那樣。
有幾種方法可以產(chǎn)生降壓/升壓電壓Vbb。在每個實施例中，降壓/升壓電壓都保持在和輸出電壓Vo相同的頻率。下面將詳細(xì)討論其原因，但是如果在降壓/升壓電壓和輸出電壓Vo之間沒有一致的頻率，就不能保持電壓恒定。依據(jù)操作(降壓或升壓)，降壓/升壓電壓可以與輸出電壓Vo同相(在升壓的情況下)，也可以與輸出電壓Vo保持180°的相位差(在降壓的情況下)。在一個實施例中，一部分輸出電壓Vo通過控制器19和開關(guān)陣列20反饋給PMG14的子線圈。這種布置保證了降壓/升壓電壓Vbb的頻率和輸出電壓Vo一致。在另外的一個實施例中，除了位于PMG14中的定子線圈組(圖2所示)，第二組定子線圈(未示出)用來從原動機12提供的機械能中產(chǎn)生電壓。當(dāng)原動機12旋轉(zhuǎn)時，PMG14中的定子線圈同第二組定子線圈一起產(chǎn)生電壓。由于原動機12的頻率同PMG14中的定子組和第二組定子是一致的，所以由PMG14和第二組定子線圈產(chǎn)生的電壓的頻率也是相同的。在這兩種實施例中，降壓/升壓電壓Vbb都與輸出電壓Vo同相。通過切換連接降壓/升壓電壓Vbb到選定子線圈的輸入導(dǎo)線，降壓/升壓電壓的相位可以被改變180度。因而，在一個升壓操作中，由上述方法之一產(chǎn)生的降壓/升壓電壓Vbb被傳輸?shù)竭x定的子線圈上，并和輸出電壓Vo保持同相。而在一個降壓操作中，由上述方法之一產(chǎn)生的降壓/升壓電壓Vbb被傳輸?shù)竭x定的子線圈上，并和輸出電壓Vbb保持一個180度的相位差。
圖2顯示了本發(fā)明的永磁發(fā)電機14的另一個實施例，包括定子22，轉(zhuǎn)子24，和連接轉(zhuǎn)子24到原動機12的軸26(在圖1中示出)。轉(zhuǎn)子24包括多個極P1-P24，使之成為一個24極的轉(zhuǎn)子。定子22包括多個定子槽S1-S36，使之成為一個36槽的定子。每個相鄰組的槽，例如S1和S2，組成了一個定子齒，其上纏繞著線圈或繞組(此例中是線圈CA1)。由于PMG14的輸出是三相電源，因此有三組電氣絕緣的線圈。
為了顯示方便，圖2僅僅示出了產(chǎn)生輸出電壓VoA(在圖1中為三相電源的一相)的一組線圈CA1-CA12。線圈CA1纏繞在定子槽S1和S2之間的定子齒上。線圈CA2纏繞在定子槽S4和S5之間的定子齒上。線圈CA3纏繞在定子槽S7和S8之間的定子齒上，如此類推。為了使效率最大化，線圈組CA1-CA12在定子22周圍等距離分布。線圈CA1-CA12的等距分布和槽/極/相位比0.5(36個槽/24個極/3相)的配置，使CA1-CA12的每個線圈受到極P1-P24產(chǎn)生的磁通量的相同的幅度和方向，從而使輸出電壓VoA最大化。其他兩組線圈(圖中未示出)在槽S1-S36之間剩余的定子齒上纏繞成相同的樣式，從而產(chǎn)生另外兩相功率VoB和VoC。如圖3-7所示和上面討論的那樣，每個線圈CA1-CA12(和產(chǎn)生輸出電壓VoB和VoC的線圈)被分成多個子線圈，且都可以以多種結(jié)構(gòu)連接來升高或者降低輸出電壓Vo。
原動機12提供的旋轉(zhuǎn)通過軸26傳送到轉(zhuǎn)子24。因而，原動機12引起轉(zhuǎn)子24和其上的磁極P1-P24跟著旋轉(zhuǎn)。多個線圈CA1-CA12上的電壓由磁極P1-P24的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生，而產(chǎn)生的磁通量也被線圈CA1-CA12經(jīng)歷。每個相鄰磁極必須是不同極性的。舉例而言，如果磁極P2是個磁場北極，那么磁極P1和P3都必須是磁場南極。由相鄰磁極產(chǎn)生的磁通量部分穿過在定子22中的多個線圈CA1-CA12(和未示出的那些線圈)。當(dāng)轉(zhuǎn)子24旋轉(zhuǎn)時，穿過CA1-CA12的磁通量發(fā)生變化，在CA1-CA12的每個線圈就會產(chǎn)生電動勢電壓。正像圖3-7所示的那樣，線圈CA1-CA12被分成子線圈。依據(jù)不同子線圈的連接方式，輸出電壓VoA可以根據(jù)所期望的被調(diào)節(jié)。由多個線圈產(chǎn)生的輸出電壓Vo可以被描述為下列方程，假設(shè)輸出電壓沒有連接負(fù)載Vo＝4.44×(頻率)×(匝數(shù))×(磁通量)×(面積×10-8)方程1方程1表示影響輸出電壓Vo的變量。每個變量都與電壓直接相關(guān)，因而頻率、匝數(shù)、磁通量或者面積增加，輸出電壓16的值就會升高。同樣的，如果任何一個變量值減少，輸出電壓16的值也會降低。頻率與原動機12的轉(zhuǎn)速有關(guān)系，而面積指的是線圈CA1-CA12的每一個的橫截面積。原動機的頻率獨立于PMG14之外，而且在本發(fā)明中不能被直接控制。同樣，面積在本發(fā)明中也保持一個恒定值。如此，只有匝數(shù)和磁通量作為剩下的變量可以影響輸出電壓Vo。
匝數(shù)指的是組成每個線圈CA1-CA12的電線卷繞的次數(shù)。本發(fā)明的一個方面，控制器18可以有選擇地調(diào)節(jié)子線圈是如何連接的。這就使得控制器18能調(diào)整有助于產(chǎn)生輸出電壓Vo的線圈的匝數(shù)。同樣地，磁通量指的是磁通量穿過每個線圈CA1-CA12的密度。正如圖3-7所示，本發(fā)明可以有選擇地改變每個線圈的磁通量的密度，通過有選擇地將降壓/升壓電壓Vbb加到子線圈上，從而改變輸出電壓16。圖3-7顯示了一些方法，通過這些方法，不僅線圈C1-C12，而且其他兩相中對應(yīng)功能的線圈都可以被連接來改變產(chǎn)生的輸出電壓。
圖3顯示線圈CA1-CA12，每個線圈被分成第一子線圈CA1a-CA12a和第二子線圈CA1b-CA12b。例如，線圈CA1被分成第一子線圈CA1a和第二子線圈CA1b，線圈CA2被分成第一子線圈CA2a和第二子線圈CA2b。為了保持在根據(jù)選定的特定結(jié)構(gòu)下的每個線圈CA1-CA12之間產(chǎn)生的電壓相同，多個第一子線圈CA1a-CA12a中的每一個的匝數(shù)都是相同的，多個第二子線圈CA1b-CA12b中的每一個的匝數(shù)也是相同的。例如，在該實施例中，第一子線圈CA1a-CA12a和線圈CA1-CA12的匝數(shù)比是0.6∶1。那就是說，線圈CA1-CA12被劃分成第一子線圈CA1a-CA12a包括匝數(shù)的60％，而第二子線圈A1b-CA12b包括匝數(shù)的剩下40％。處于簡化的目的，這個實施例示出了每個線圈都被分為兩個子線圈。
多個開關(guān)SW1-SW36(通稱SW)允許第一和第二子線圈可以被連接成多種不同結(jié)構(gòu)。在圖3顯示的實施例中，開關(guān)SW1與第一子線圈CA1a相連，而開關(guān)SW2和SW3則與第二子線圈CA1b相連。同樣地，開關(guān)SW4與第一子線圈CA2a相連，而開關(guān)SW5和SW6則與第二子線圈CA2b相連。每個開關(guān)SW都可以在兩種可能的連接方式中選擇其中之一。和每個開關(guān)SW相關(guān)聯(lián)的連接都在圖3和圖5中用“1”或“2”標(biāo)明。第一種結(jié)構(gòu)中，如圖3所示，開關(guān)SW被置于在用“1”標(biāo)識的第一位置。第二種結(jié)構(gòu)中，如圖5所示，開關(guān)SW被置于用“2”標(biāo)識的第二位置。通過將開關(guān)SW設(shè)置在第一位置，第一子線圈CA1a-CA12a是彼此串聯(lián)連接。例如，第一子線圈CA1a與第一子線圈CA2a通過開關(guān)SW1串聯(lián)在一起。同樣地，如果開關(guān)SW在第一位置下，第二子線圈CA1b-CA12b是彼此串聯(lián)連接。例如，第二子線圈CA1b與第二子線圈CA2b通過開關(guān)SW3和SW5串聯(lián)在一起。降壓/升壓電壓源Vbb也與第二子線圈CA1b-CA12b串聯(lián)在一起。如圖3所示，降壓/升壓電壓Vbb通過開關(guān)SW2與第二子線圈CA1b連接，通過開關(guān)SW36與第二子線圈CA12b連接。
當(dāng)多個開關(guān)SW置于第一位置時所產(chǎn)生的輸出電壓依賴于降壓/升壓電壓Vbb的施加。降壓/升壓電壓Vbb可以有三種施加方式一種是沒有施加降壓/升壓電壓的情況(如圖4A所示)；一種是施加降壓/升壓電壓使得第二子線圈中產(chǎn)生的磁通量增加第一子線圈中的磁通量(如圖4B所示)；還有一種是施加降壓/升壓電壓使得第二子線圈中產(chǎn)生的磁通量減少第一子線圈中的磁通量(如圖4C所示)。將開關(guān)SW置于第二位置時(如圖5所示)，第一子線圈CA1a-CA12a和第二子線圈CA1b-CA12b互相串聯(lián)在一起，從而增加了可以用來產(chǎn)生輸出電壓VoA的總匝數(shù)，使得輸出電壓VoA按方程1得到一個增加。這些結(jié)構(gòu)中的每一種將在下面詳細(xì)討論。
圖4A顯示了無外加降壓/升壓電壓Vbb到多個第二子線圈CA1b-CA12b的情況。由于互相串聯(lián)在一起的多個第二子線圈CA1b-CA12b上沒有外加降壓/升壓電壓Vbb，因此在第二子線圈CA1b-CA12b中沒有磁通量產(chǎn)生。因為第二子線圈CA1b-CA12b中沒有磁通量產(chǎn)生，所以就對由第一子線圈CA1a-CA12a產(chǎn)生的輸出電壓沒有影響。多個磁極P1-P24(如圖2所示)產(chǎn)生的磁通量穿過第一子線圈CA1a-CA12a，從而在每個第一子線圈中產(chǎn)生電壓。由于每個第一子線圈CA1a-CA12a都是串聯(lián)連接，而且經(jīng)過每個子線圈的磁通量在每個子線圈中都是沿著同一方向，因此產(chǎn)生的輸出電壓VoA就是第一子線圈CA1a-CA12a中的每一個所產(chǎn)生的電壓的疊加值。
這種子線圈的結(jié)構(gòu)，連同沒有任何降壓/升壓電壓Vbb，被稱為是正常操作。這個結(jié)構(gòu)中，盡管原動機12的轉(zhuǎn)速(如圖1示)或負(fù)載16的阻抗(如圖1示)會有變化，但是輸出電壓16也能被調(diào)節(jié)。那就是說，輸出電壓Vo可以按需要升高或降低來抵消外界變化帶來的升高或降低。
圖4B顯示了一個實施例，其中開關(guān)SW又被連接在第一位置，第一子線圈CA1a-CA12a串聯(lián)在一起，第二子線圈CA1b-CA12b與降壓/升壓電壓Vbb串聯(lián)在一起。然而，圖4B中，降壓/升壓電壓Vbb被施加在第二子線圈CA1b-CA12b中，從而對輸出電壓VoB產(chǎn)生升壓效應(yīng)。施加的降壓/升壓電壓Vbb與輸出電壓VoA的相位一致，從而使得第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生的磁通量與轉(zhuǎn)子24產(chǎn)生的磁通量在方向上相同(如圖2所示)。
當(dāng)轉(zhuǎn)子24沿著磁極P1-P24旋轉(zhuǎn)時，線圈CA1-CA12受到的磁通量改變方向，導(dǎo)致交變電流源的產(chǎn)生。為了使降壓/升壓電壓Vbb能一致地增加子線圈CA1a-CA12a中的磁通量，降壓/升壓電壓Vbb必須與輸出電壓VoA保持在同樣的頻率。上面已經(jīng)討論了保持降壓/升壓電壓Vbb的合適頻率的幾種方法。
在第一子線圈CA1a-CA12a和第二子線圈CA1b-CA12b中的磁通量的附加特性被在圖4B中位于相鄰每個子線圈上的箭頭標(biāo)明。第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生的磁通量會增加第一子線圈CA1a-CA12a中磁通量的凈值，因此增加輸出電壓VoA的值。值得重視的是，盡管第一子線圈CA1a和第二子線圈CA1b在圖3-7中都被示為電氣分離的元件，但它們每個也都是線圈CA1的子部分，且線圈CA1是纏繞在單一一個定子齒上。因此，第一子線圈CA1a和第二子線圈CA1b是通過纏繞線圈CA1的定子齒耦合在一起的。第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生的磁通量會影響第一子線圈CA1a-CA12a中的磁通量。正如上述方程1所示，增加第一子線圈CA1a受到的磁通量會引起第一子線圈CA1a所產(chǎn)生的電壓的增加。因此，相比于圖4A中產(chǎn)生的輸出電壓，通過在圖4B中所示的開關(guān)結(jié)構(gòu)和降壓/升壓電壓Vbb所產(chǎn)生的輸出電壓就會導(dǎo)致輸出電壓VoA的增加。對圖4A和4B而言，能產(chǎn)生輸出電壓VoA的線圈數(shù)量是一樣的，然而，圖4B的實施例中，由于第一子線圈CA1a-CA12a中產(chǎn)生有附加的磁通量，所以產(chǎn)生更大的輸出電壓VoA。由其他線圈(未示出)產(chǎn)生的輸出電壓VoB和VoC也是一樣的。
圖4C表示將開關(guān)SW連接第一位置，同時將一個降壓電壓施加到第二子線圈CA1b-CA12b的情況。降壓/升壓電壓Vbb被施加以使得第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生的磁通量與轉(zhuǎn)子24產(chǎn)生和第一子線圈CA1a-CA12a受到的磁通量在方向上相反(如圖2所示)。這就需要降壓/升壓電壓Vbb與輸出電壓Vo保持同樣的頻率。然而，為了使降壓/升壓電壓Vbb能降低第一子線圈CA1a-CA12a受到的磁通量，降壓/升壓電壓Vbb的相位被設(shè)置成與輸出電壓VoA有一個180度的相位差(也就是反相)。在一個實施例中，通過切換連接降壓/升壓電壓Vbb至第二子線圈CA1b-CA12b的導(dǎo)線來改變降壓/升壓電壓Vbb的相位。與第一和第二子線圈相鄰的方向箭頭表明第二子線圈中CA1b-CA12b中的磁通量是如何對抗第一子線圈CA1a-CA12a受到的磁通量的。第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生的磁通量消減了第一子線圈CA1a-CA12a中的磁通量，因而也降低了輸出電壓VoA。如上所述，第二子線圈CA1b中產(chǎn)生的磁通量沿著定子齒傳送，從而影響第一子線圈CA1a。通過使用降壓/升壓電壓Vbb在第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生反向磁通量，降低了第一子線圈CA1a-CA12a中的磁通量，從而降低了輸出電壓VoA。如方程1所示，降低第一子線圈CA1a受到的磁通量會引起第一子線圈CA1a所產(chǎn)生的電壓下降。因此，相比于圖4A中的輸出電壓，輸出電壓VoA降低了。對于圖4A-4C而言，能產(chǎn)生輸出電壓VoA的線圈數(shù)量是一樣的，然而，在圖4C所示的實施例中，由于第一子線圈CA1a-CA12a中產(chǎn)生較少的磁通量，因此導(dǎo)致輸出電壓VoA下降。
盡管本發(fā)明可以用來保持一個恒定的輸出電壓Vo，但是如果我們假設(shè)負(fù)載16的阻抗和原動機12的轉(zhuǎn)速保持不變，且不同結(jié)構(gòu)對輸出電壓Vo的影響可以揭示出來，那么我們就更容易理解這項發(fā)明的機理。舉例而言，假設(shè)線圈CA1-CA12(不考慮子線圈的結(jié)構(gòu))能在原動機12的當(dāng)前頻率和負(fù)載16的阻抗下產(chǎn)生100V(rms)的輸出電壓Vo，進(jìn)一步，假設(shè)第一子線圈CA1a-CA12a占構(gòu)成線圈CA1-CA12的繞組匝數(shù)的80％(第一子線圈與線圈匝數(shù)比為0.8∶1)。在這些假設(shè)下，如果第一子線圈CA1a-CA12a和第二子線圈CA1b-CA12b按照第一種結(jié)構(gòu)連接在一起，同時按圖4A所示沒有外加降壓/升壓電壓Vbb，那么第一子線圈CA1a-CA12a將產(chǎn)生80V(rms)的輸出電壓VoA。如果降壓/升壓電壓Vbb如圖4B所示施加到第二子線圈CA1b-CA12b上，就會引起第一子線圈CA1a-CA12a受到的磁通量的增加，從而產(chǎn)生100V的輸出電壓VoA。同樣地，如果降壓/升壓電壓Vbb如圖4C所示施加到第二子線圈CA1b-CA12b上，就會引起第一子線圈CA1a-CA12a受到的磁通量的凈減，從而產(chǎn)生60V的輸出電壓VoA。
圖5顯示了一個實施例，其中開關(guān)SW1-SW36按照第二種結(jié)構(gòu)連接在一起(每個開關(guān)都被置于“2”標(biāo)識的位置)，從而將第一子線圈CA1a-CA12a與第二子線圈CA1b-CA12b串聯(lián)在一起。那就是說，第一子線圈CA1a與第二子線圈CA1b通過開關(guān)SW1和SW2串聯(lián)在一起。第二子線圈CA1b與下一個第一子線圈CA2a通過開關(guān)SW3串聯(lián)在一起。降壓/升壓電壓Vbb在這種結(jié)構(gòu)中沒有任何連接。由于每個子線圈都是串聯(lián)的，這種結(jié)構(gòu)的操作本質(zhì)上就如同線圈CA1-CA12。也就是，第一子線圈CA1a和第二子線圈CA1b就像CA1一樣工作。同樣，第一子線圈CA2a和第二子線圈CA2b也如同CA2一樣工作。
圖6表示將第一子線圈CA1a-CA12a與第二子線圈CA1b-CA12b串聯(lián)的影響。在這種結(jié)構(gòu)中，盡管降壓/升壓電壓Vbb沒有在多個第二子線圈CA1b-CA12b中產(chǎn)生磁通量，但是由于增加了附加的線圈匝數(shù)，PMG14產(chǎn)生的輸出電壓Vo也會增加。依據(jù)方程1所指出，輸出電壓Vo與匝數(shù)直接相關(guān)，當(dāng)匝數(shù)增加時，輸出電壓VoA也會增加。在圖6的實施例中，第二子線圈CA1b-CA12b與第一子線圈CA1a-CA12a串聯(lián)在一起，增加了用來產(chǎn)生輸出電壓VoA的線圈匝數(shù)。而增加線圈匝數(shù)就會提高輸出電壓VoA的值。
使用上述的數(shù)字示例，假設(shè)線圈CA1-CA12能在原動機12的當(dāng)前頻率和負(fù)載16的當(dāng)前阻抗下產(chǎn)生100V(rms)的電壓。通過將第一子線圈CA1a-CA12a與CA1b-CA12b串聯(lián)，用來產(chǎn)生輸出電壓VoA的繞組數(shù)量與組成線圈CA1-CA12的繞組數(shù)量相同，結(jié)果產(chǎn)生一個100V(rms)的輸出電壓VoA。
如圖3-6所示，可以通過調(diào)節(jié)穿過子線圈用于產(chǎn)生輸出電壓Vo的磁通量，或者也可以通過調(diào)節(jié)產(chǎn)生輸出電壓Vo的繞組數(shù)來改變或保持輸出電壓Vo。然而，也正如圖3-6所示，在調(diào)節(jié)輸出電壓Vo上，將線圈分成兩個子線圈只能提供有限的靈活性。通過增加每個線圈CA1-CA12中的子線圈的數(shù)量，可以調(diào)節(jié)更理想的輸出電壓VoA。
例如，圖7所示為線圈CA1-CA12被分成三組子線圈，第一子線圈CA1a-CA12a，第二子線圈CA1b-CA12b，第三子線圈CA1c-CA12c。簡單起見，子線圈都被連接到開關(guān)陣列19而不是單個開關(guān)上。降壓/升壓電壓Vbb也通過開關(guān)陣列19施加到選定的子線圈上。這就使得降壓/升壓電壓Vbb可以被施加到多于一組的子線圈上。簡單起見，我們再假設(shè)每個線圈CA1-CA12由100匝組成。例如，第一子線圈CA1a-CA12a有60匝，第二子線圈CA1b-CA12b有30匝，第三子線圈CA1c-CA12c由剩下的10匝組成。
通過外加降壓/升壓電壓Vbb來降低或升高輸出電壓的機理，與通過增加或減少用來產(chǎn)生輸出電壓Vo的子線圈數(shù)量(也就是匝數(shù))進(jìn)而降低或升高輸出電壓的機理，二者其實是一樣的，就像上面例子討論過的那樣。差別僅在于，結(jié)構(gòu)的數(shù)量增加了，因而輸出電壓Vo的調(diào)節(jié)能力也增大了。
例如，如果僅僅第一子線圈CA1a-CA12a串聯(lián)連接，且沒有外加降壓/升壓電壓Vbb，那么在我們的數(shù)字示例中，第一子線圈CA1a-CA12a就會產(chǎn)生60V(rms)的輸出電壓VoA。通過有選擇地連接第二子線圈CA1b-CA12b或者第三子線圈CA1c-CA12c，并且施加降壓/升壓電壓Vbb，輸出電壓VoA就可以被嚴(yán)密控制。正如圖7所示，由于降壓/升壓電壓Vbb根據(jù)條件被施加到不同的子線圈上，降壓/升壓電壓Vbb連接到開關(guān)陣列19中的開關(guān)，從而使控制器18能夠選擇被施加了降壓/升壓電壓Vbb的子線圈，并且控制降壓/升壓電壓Vbb被施加時的相位。下述的表1列舉了一些例子，顯示將子線圈連接成不同結(jié)構(gòu)是如何影響輸出電壓VoA的，盡管在操作中，本發(fā)明能夠意不同結(jié)構(gòu)連接子線圈以便在轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化的情況下保持實質(zhì)恒定的輸出電壓VoA。
表1


從這個例子看出，將線圈CA1-CA12分成三組子線圈在控制輸出電壓VoA方面提供了更大的靈活性，因此可以保持一個實質(zhì)恒定的輸出電壓VoA(對于輸出電壓VoB和VoC亦然)。
上面描述了一個電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法，其中定子線圈至少被細(xì)分成了兩個子線圈。其他的實施例中，定子線圈可以被細(xì)分成兩個以上的子線圈，從而可以實現(xiàn)更多的結(jié)構(gòu)選擇。該調(diào)節(jié)方法使用了控制器，來有選擇地控制多個開關(guān)以連接不同結(jié)構(gòu)下的子線圈的數(shù)量(使得用來產(chǎn)生輸出電壓的匝數(shù)變化)，也能有選擇地應(yīng)用降壓/升壓電壓來增加或減少對產(chǎn)生輸出電壓的部分線圈所受到的磁通量?？刂破骷扔脕砼渲米泳€圈，也用來施加適當(dāng)?shù)慕祲?升壓電壓，使得可以將PMG的輸出電壓調(diào)節(jié)到一個期望值。例如，如果輸出電壓開始由于原動機轉(zhuǎn)速的增加或連接PMG的負(fù)載阻抗的減少而導(dǎo)致升高，控制器就可以設(shè)定子線圈的數(shù)量和降壓/升壓電壓值，從而降低PMG的輸出電壓。其他的實施例中，也可能需要的是有選擇地增加或減少PMG的輸出電壓，而不是保持一個恒定的電壓電平。
權(quán)利要求
1.一種永磁發(fā)電機(PMG)的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該永磁發(fā)電機的定子線圈被分成多個子線圈，該電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括用于監(jiān)測由選擇的PMG的子線圈所產(chǎn)生的輸出電壓的裝置；和用于基于監(jiān)測到的電壓值，將降壓/升壓電壓施加到與產(chǎn)生輸出電壓的子線圈沒有連接的那些子線圈，從而有選擇地升高或降低輸出電壓的裝置。
2.權(quán)利要求1中的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中施加與輸出電壓同相位的降壓/升壓電壓到子線圈上，從而提高輸出電壓。
3.權(quán)利要求1中的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中施加與輸出電壓有180度相位差的降壓/升壓電壓到子線圈上，從而降低輸出電壓。
4.權(quán)利要求1中的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生降壓/升壓電壓的裝置。
5.權(quán)利要求4中的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中產(chǎn)生降壓/升壓電壓的裝置包括PMG中的第二定子，其產(chǎn)生一個與輸出電壓同頻率的降壓/升壓電壓。
6.權(quán)利要求1中的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中每個定子線圈中的子線圈包括多匝，而且一個定子線圈中的每個子線圈都有不同的匝數(shù)。
7.權(quán)利要求1中的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進(jìn)一步包括開關(guān)陣列，其具有用于有選擇地將子線圈以多種結(jié)構(gòu)連接的多個開關(guān)。
8.一種控制永磁發(fā)電機的輸出電壓的方法，其包括產(chǎn)生輸出電壓，其中定子線圈被分成多個子線圈，選定的子線圈被連接起來產(chǎn)生輸出電壓；監(jiān)測輸出電壓的變化；以及基于監(jiān)測的輸出電壓值將降壓/升壓電壓施加到?jīng)]有被連接以產(chǎn)生輸出電壓的子線圈上，從而升高或降低輸出電壓。
9.權(quán)利要求8中的方法，其中施用降壓/升壓電壓的步驟包括如果輸出電壓為期望值，則不施加降壓/升壓電壓；如果輸出電壓低于期望值，則施加與輸出電壓同相的降壓/升壓電壓；如果輸出電壓高于期望值，則施加與輸出電壓有180度相位差的降壓/升壓電壓。
10.權(quán)利要求8中的方法，進(jìn)一步包括控制開關(guān)陣列中的多個開關(guān)，依據(jù)監(jiān)測的輸出電壓有選擇地將子線圈連接成多種結(jié)構(gòu)中的一種。
11.權(quán)利要求10中的方法，其中控制多個開關(guān)以有選擇地連接子線圈包括將選定的子線圈與用于產(chǎn)生輸出電壓的子線圈串聯(lián)連接，從而提高輸出電壓。
12.權(quán)利要求10中的方法，進(jìn)一步包括將降壓/升壓電壓施加到在特定結(jié)構(gòu)中選定的子線圈上，從而提高或者降低輸出電壓。
13.一種調(diào)節(jié)輸出電壓的永磁發(fā)電機(PMG)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括永磁發(fā)電機(PMG)，其包括轉(zhuǎn)子；有定子齒的定子；和纏繞在定子齒上且被分成多個子線圈的定子線圈；用于產(chǎn)生降壓/升壓電壓的降壓/升壓電壓源；和控制器，其被連接用來監(jiān)測輸出電壓并且基于監(jiān)測的輸出電壓將降壓/升壓電壓施加到選定的子線圈上。
14.權(quán)利要求13中的系統(tǒng)，其中第一組子線圈串聯(lián)連接來產(chǎn)生輸出電壓。
15.權(quán)利要求14中的系統(tǒng)，其中控制器使降壓/升壓電壓被施加到選定的沒有與第一組子線圈連接的子線圈上，而且降壓/升壓電壓與輸出電壓同相位以便提高輸出電壓。
16.權(quán)利要求14中的系統(tǒng)，其中控制器使降壓/升壓電壓被施加到選定的沒有與第一組子線圈連接的子線圈上，而且降壓/升壓電壓與輸出電壓有一個180度的相位差，從而降低輸出電壓。
17.權(quán)利要求14中的系統(tǒng)，包括與子線圈相連的開關(guān)，該開關(guān)被控制器控制從而使子線圈以多個不同結(jié)構(gòu)被連接，從而控制輸出電壓。
18.權(quán)利要求13中的系統(tǒng)，其中降壓/升壓電壓源產(chǎn)生與輸出電壓同頻率的降壓/升壓電壓。
全文摘要
電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持了永磁發(fā)電機的輸出電壓在一個基本恒定的電平上。永磁發(fā)電機中的定子線圈被分成多個子線圈。通過施加降低/升高的電壓到選定的子線圈上，從而使得永磁發(fā)電機產(chǎn)生的輸出電壓升高或者降低。與子線圈相連的多個開關(guān)使子線圈可以連接成多種不同的結(jié)構(gòu)。將子線圈連接成一種特定結(jié)構(gòu)，并根據(jù)監(jiān)測的輸出電壓將降低/升高電壓施加到選定的子線圈上，從而使電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持一個基本恒定的輸出電壓。
文檔編號H02P9/00GK1921289SQ200610126378
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月20日
發(fā)明者M·J·夏, G·H·塞費爾尼克 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司