專利名稱：具有在低速范圍內改進的發(fā)電效率的開關磁阻發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種開關磁阻(SR)發(fā)電機，尤其是涉及一種具有在低速范圍內改進的發(fā)電性能的SR發(fā)電機。
背景技術：
SR發(fā)電機是一種能量轉換設備，該設備通過電子開關將電能從電壓源施加于繞組，該繞組在轉子角規(guī)定范圍內具有至少一相，該設備從隨后的轉子角范圍的相繞組收回的能量大于前面所施加能量。此額外的能量是機械能，且通過施加沿旋轉方向的轉矩而傳遞給發(fā)電機轉子。這種SR發(fā)電機的優(yōu)點在于因為其以電流源形式輸出所以它能夠在低速范圍內產生能量。
傳統(tǒng)地，感應發(fā)電機或者同步發(fā)電機已經用來作為風力發(fā)電機。感應發(fā)電機結構簡單且造價便宜，但是其缺點在于其需要附加的齒輪箱以在發(fā)電時保持穩(wěn)定的速度，且發(fā)電所必須的風速范圍有限。同步發(fā)電機的缺陷在于結構復雜且造價昂貴。另外，在同步發(fā)電機中，在風速低時因為從發(fā)電機輸出的電壓小，所以電池組不充電。因此，在諸如韓國這樣的低風速區(qū)域，采用感應發(fā)電機或者同步發(fā)電機發(fā)電非常困難。在研制即使在低速范圍內也能夠通過風力有效發(fā)電的發(fā)電機時，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可以改進SR發(fā)電機以使其可以應用于這種區(qū)域。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種能夠在低速范圍內發(fā)電的SR發(fā)電機。
本發(fā)明還提供了一種結構簡單且經久耐用的SR發(fā)電機。
根據本發(fā)明的方案，本發(fā)明提供了一種SR發(fā)電機，其構造成纏繞在定子周圍的相繞組的電感在低速范圍內增加并在高速范圍內減小。
因此，因為電感相對于相位角的變化率在低速范圍內變大，導致在低速范圍內輸出的能量增加并改進了發(fā)電效率。
定子的相繞組可以構造為具有單相。因此，因為該發(fā)電機構造為具有數(shù)量縮減的開關，其制造成本不高且簡單。


通過參照附圖對本發(fā)明的示例性實施例進行的詳細描述，本發(fā)明的上述和其它的特征和優(yōu)點將會變得更加清楚。其中圖1為示出根據本發(fā)明實施例的SR發(fā)電機構造的方框圖；圖2為示出在SR發(fā)電機中轉子的相電感、發(fā)電機電流以及電動機電流相對于相位角的關系曲線圖；圖3示出了SR發(fā)電機中單相定子的連接結構，其中相繞組由三個單位繞組構成；圖4A示出了具有圖3中所示連接結構的定子在低速范圍內的連接模式；圖4B示出了定子在高速范圍內的連接模式；圖5A示出了在低速范圍內具有圖3中所示連接結構的定子中的電感和發(fā)電機電流之間的關系；圖5B示出了在高速范圍內具有圖3中所示連接結構的定子中的電感和發(fā)電機電流之間的關系；以及圖6為在根據本發(fā)明實施例的SR發(fā)電機中相對于風速所產生的能量大小曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖對根據本發(fā)明的示范實施例進行詳細說明。
圖1為示出根據本發(fā)明實施例的SR發(fā)電機構造的方框圖。如圖1中所示，SR發(fā)電機包括轉子10；定子30，其上纏繞有相繞組(phase winding)驅動開關100，其控制相繞組300中的電流流動；以及功率控制器500，其控制驅動開關100的切換。SR發(fā)電機構造成使相繞組300的電感在低速范圍內變大而在高速范圍內變小。
根據本發(fā)明實施例的SR發(fā)電機還包括相繞組300，其具有多個單位繞組(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繞組開關340、360；速度檢測器530，其檢測轉子10的轉速；以及連接控制器700，其根據速度檢測器530檢測的速度控制繞組開關340、360的切換，以使繞組的電感在低速范圍內變大而在高速范圍內變小。
同時，單相SR發(fā)電機需要起始勵磁電流?；谶@個目的，獨立的發(fā)電系統(tǒng)驅動與發(fā)電機并行設置的小型同步電動機以供給必需的電力。圖1所示的電流源910和電容器930表示這樣一種起始勵磁電流系統(tǒng)。在本實施例中，定子30的相繞組300為單相繞組。因為單相SR發(fā)電機僅需要用于能量轉換的少許開關，所以單相SR發(fā)電機能夠廉價地制造。然而，本發(fā)明并不局限于此。
通過驅動開關100的電子切換，相繞組300在轉子角的規(guī)定范圍內從電容器930、電壓電源接收電能，并在隨后的轉子角范圍內將比前面所接收的能量多的能量供給電池組955。控制驅動開關100的電子切換的功率控制器500根據速度檢測器530檢測的轉子10的位置輸出脈沖寬度調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)電機輸出的電流來調整脈沖寬度調制信號，以防止過載電流。同時，各種類型的功率控制器500在現(xiàn)有技術中是公知的。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算預定時間間隔的從編碼器輸出的脈沖序列來檢測速度。
根據本發(fā)明的實施例，SR發(fā)電機還包括電池組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對根據本發(fā)明的連接控制器700的運行進行詳細說明。連接控制器700根據速度檢測器530檢測的速度控制相繞組300中的繞組開關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)其中第一個項表示銅損，第二個項表示{鐵損+磁能}，第三個項表示機械輸出(即發(fā)電電力)。因為在dL/dθ＞0的范圍內機械輸出為正(+)，所以SR發(fā)電機作為電動機運行。同時，因為在dL/dθ＜0的范圍內機械輸出為負(-)，所以SR發(fā)電機作為發(fā)電機運行。圖2為在SR發(fā)電機中轉子相電感、發(fā)電機電流以及電動機電流相對于相位角的關系的曲線圖。如圖2中所示，在θ＝θmax時電感具有最大值Lmax，而電感在θ＝θmin時具有最小值Lmin。
根據本發(fā)明實施例的連接控制器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彼此串連連接而在高速范圍內彼此并聯(lián)連接。在圖1示出的實施例中，單相的相繞組300由三個單位繞組310、330、350和控制三個單位繞組之間連接的兩個繞組開關340、360構成。圖3示出了在SR發(fā)電機中定子的連接結構。在本實施例中，所述單位繞組分配到由將放射狀設置的定子磁極等分的相同數(shù)量的相鄰定子磁極構成的各組中。此時，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。所述磁極由三個單位繞組分成三組磁極，每組磁極均被單個的單位繞組纏繞。在圖3中，標記“○”或者“×”表示纏繞方向。增加磁極的數(shù)量并改進繞組的連接模式可在低速范圍內獲得較高的能量效率。
圖4A示出了具有圖3中所示連接結構的定子在低速范圍內的連接模式。圖4B示出了定子在高速范圍內的連接模式。圖5A示出了在低速范圍內具有圖3中所示連接結構的定子中的電感和發(fā)電機電流之間的關系。圖5B示出了在高速范圍內具有圖3中所示連接結構的定子中的電感和發(fā)電機電流之間的關系。
如方程式3中所示，在SR發(fā)電機中產生的能量表述如下Energy=12i2ωmdLdθ]]>(公式4)
從圖5A中所示的電感曲線圖可看到，因為單位繞組在低速范圍內彼此串連連接，所以電感就變大。這樣，因為Lmax和Lmin增加，dL/dθ變大，從而增加了發(fā)電效率。再有，對于勵磁電流而言，Lmax在低速范圍內較大。然而，因為速度低，所以足以提供用于勵磁所需的時間周期，以使能夠獲得足夠的激勵電流。因此，盡管角速度ω低但dL/dθ卻大，所以在低速范圍內依然能夠產生足夠量的能量。
同時，因為單位繞組在高速范圍內彼此并聯(lián)連接，電感減小。這樣，因為Lmax和Lmin減小，dL/dθ變小。然而，因為角速度ω大，在高速范圍內依然能夠產生足夠量的能量。圖6為示意在根據本發(fā)明一實施例的SR發(fā)電機中相對于風速所產生的能量大小曲線圖。在該圖中所示的虛線區(qū)域能夠看到已經提高了在低速范圍內的發(fā)電效率。
根據如上說明顯而易見的是，根據本發(fā)明的SR發(fā)電機進行構造以使纏繞在定子上的相繞組的電感在低速范圍內增加而在高速范圍內減小。因此，因為電感相對于相位角的變化率在低速范圍內變大，在低速范圍內輸出能量增加，因此改進了發(fā)電效率。
再有，根據本發(fā)明的SR發(fā)電機進行構造以使定子的相繞組構造為具有單相。因此，開關的數(shù)量減少，從而減小了成本。
盡管已經參照本發(fā)明的示意實施例對本發(fā)明說明如上，本領域技術人員應當理解的是，可以在本發(fā)明中進行各種形式上和細節(jié)上的改變而不脫離下述權利要求書所限定的本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種開關磁阻(SR)發(fā)電機，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)具有在低速范圍內變大而在高速范圍內變小的電感。
2.如權利要求1所述的SR發(fā)電機，其中相繞組(300)為單相繞組。
3.如權利要求1或者2所述的SR發(fā)電機，其中相繞組(300)包括多個單位繞組(310、330和350)；以及至少一個繞組開關(340、360)，其用于切換所述單位繞組(310、330和350)之間的連接。
4.如權利要求3所述的SR發(fā)電機，其中相繞組(300)中的各單位繞組(310、330和350)分配到定子(30)的多個磁極組中的相應一個磁極組，以將各單位繞組纏繞在相應磁極組上以使在所述對應磁極組中的相鄰磁極具有交替的極性，所述多個磁極組的磁極放射狀設置且所述多個磁極組的磁極數(shù)量上被等分以分別構成所述磁極組中的相應一個磁極組。
5.如權利要求3所述的SR發(fā)電機，該SR發(fā)電機還包括速度檢測器(530)，其用于檢測與定子(30)對應的轉子(10)的轉速；以及連接控制器(700)，其根據速度檢測器(530)檢測的速度來控制繞組開關(340、360)的切換，以使相繞組(300)的電感在低速范圍內變大而在高速范圍內變小。
6.如權利要求5所述的SR發(fā)電機，其中繞組開關(340、360)在連接控制器(700)的控制下在低速范圍內將單位繞組(310、330和350)串聯(lián)連接而在高速范圍內將單位繞組(310、330和350)并聯(lián)連接。
7.如權利要求5所述的SR發(fā)電機，該SR發(fā)電機還包括電池組(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(開關磁阻)發(fā)電機，其具有在低速范圍內的改進的發(fā)電性能。本發(fā)明的SR發(fā)電機構造成使纏繞在定子上的相繞組的電感在低速范圍內增加而在高速范圍內減小。因此，因為電感相對于相位角的變化率在低速范圍內變大，所以導致在低速范圍內輸出的能量增加并改進了發(fā)電效率。定子的相繞組可以構造為具有單相。因此，因為該發(fā)電機構造為具有數(shù)量縮減的開關，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)先權日2005年4月1日
發(fā)明者林俊榮, 崔鏞遠 申請人:Lg電子株式會社