CN1063593C - 具有电压调节器的复合式交流发电机 - Google Patents

Abstract

一种复合式交流发电机。包括定子和转子，转子具有纵向上隔开的磁场绕组转子部分和永久磁铁转子部分。为了维持恒定电压输出，转子激磁电路在低的RPM下以增压模式将正向极性电压施加到磁场绕组转子部分以便增加输出，在高的RPM下以减压模式施加反向极性电压以便降低输出。另外的实施例还将低速高效运行所需要的磁通集中以及高速运行时所需要的整体强度巧妙地结合在一起。双电压输出可以通过两个定子绕组得到，也可以通过一个定子绕组及一个电压转换电路得到。单电压输出时仅需一个定子绕组。三态电压调节器在轻负载或无蓄电池的状况下，不会在电流母线上产生反向电流。调节器的自动联锁功能，可安全地自动投入和退出电压调节器。

Description

具有电压调节器的复合式交流发电机

本发明涉及用在车辆中的交流发电机，向运行中的辅助设备和充电蓄电池提供电源。更具体地说，本发明涉及一种高效复合式交流发电机，其转子的旋转磁场是由永久磁铁和磁场绕组综合产生的。本发明还涉及专用于自动调节复合式交流发电机输出电压的电压调节器。

汽车业一直致力于提高机动车辆在空转和各种运行速度时的效率。由于已经测定燃料总消耗的大约二分之一发生在空转运转中，所以提高在空转运转时的效率是特别重要的。在各种车辆中普遍采用的交流发电机，其设计已经沿用了约25到30年，其造价低廉，但具有很低的效率，低达40-50％。在低转速情况下，这个问题特别尖锐，因为为了产生预期的电压，需要在转子绕组中施加很高的激磁电流，从而导致效率很低。

除了希望具有高的效率之外，还需要提供大容量的交流发电机，因为现代车辆具有许多附加电动机，所需的电功率较从前大得多。此外，车辆的燃料效率与车辆的重量密切相关，希望降低交流发电机的重量，以便将车辆的总重量降至最低。当将交流发电机的效率提高时，这些目标就可以实现。

车辆中电力消耗的增加，还要求一些部件的工作电压高于目前在汽车上采用的12伏标准电压。与此同时，预期12伏电源仍将在有更高电压电源的车辆中使用。

众所周知，在定子上安装两个绕组就可得到具有双电压的交流发电机。然而，当在转子上只采用一个绕组时，由于对不同的电路可能需要不同的转子激磁电流，因此难于恰当调节两个不同的电压输出。由本发明提出的单和双电压型交流发电机也可以应用在各种非内燃机驱动的应用场合，例如风力或水力驱动的场合，高效地产生电力。

在交流发电机运行在低转速时，通过利用永久磁铁直接产生高通量的磁道，复合式交流发电机效率显著增加。通过利用本文公开的复合式交流发电机，在车辆发动机空转转速下，交流发电机将产生全额的交流发电机电流和电压输出。而现有的交流发电机一直到它们远远超过其空转转速之前，不可能产生全额的输出。

通过对永久磁铁产生的磁通进行补偿，复合式交流发电机实现了在低速下的全额输出。补偿磁通是由施加到绕组两端的正向极性电压所产生的正向转子绕组电流感应的。这被称为增压模式或正向极性模式，也就是说，由转子绕组产生的磁场与永久磁铁产生的磁场具有相同的方向。

随着交流发电机RPM(每分钟转数)增加，由永久磁铁产生的磁通产生更大的输出，对转子绕组产生的补偿磁通的需求则降低。最终，在足够高的速度下，仅由永久磁铁产生的磁场得到交流发电机的全额输出，不需要转子绕组中的附加电流。通常这种转变发生在远低于交流发电机的最大预期运行转速情况下。

当高速运转的发动机使转子的转速超过这一转变点时，永久磁铁的磁通就显得太大，必须降低以避免产生危险的过电压和过电流。这是通过使复合式交流发电机运行在减压模式或反向极性模式来实现的。将反向极性电压施加到转子绕组上，在转子绕组上产生反向极性电流，该电流产生的磁通与来自永久磁铁的磁通反向，因此降低了发电机的输出，维持了预期的电压。

由于需要提供正向和反向转子激磁电流，因此对复合式交流发电机的电压调节器提出了某些限制和要求，这些限制和要求在常规的交流发电机中是不需要的。尽管低效爪形磁极即伦德尔(Lundell)型的复合式交流发电机尽人皆知，但是，迄今为止，即使在制造复合式交流发电机的电压调节器时，这些限制和要求还没有被本技术领域人员所认识。

首要的问题是开断大电感转子绕组时所产生的感应作用，特别是在正向和反向极性激磁模式之间的暂态转换产生的感应作用。当交流发电机处于轻载时，这个问题特别尖锐。

磁场绕组中的电流在转子绕组的磁场中存储很大的能量。由于负载突然变化或当施加电压以便驱动转子绕组时，这一能量能够引起电压的脉冲尖峰。为了降低复合式交流发电机的输出电压，现有技术已经简单地指出，应当应用反极性模式，以便使磁场绕组电流反向。然而，在电流被反向之前，必须使原来感应的磁场先衰减消失。在这个衰减过程中，原来在正向极性模式产生的正向电流继续回流到供电电源母线，导入蓄电池或所有的汽车辅助装置。

假如蓄电池像在正常情况下一样连接到交流发电机上，蓄电池可以在其它负载之后，吸收剩余反向电流。另一种方法是利用大电容吸收能量。然而，由于蓄电池并不总是具有吸收反向电流的能力，该第一种方法并不是可靠的。使用电容器是极端昂贵的，特别是要求汽车盖下面的电容器在额定温度范围内吸收储存在转子绕组中的全部能量时。

如果将蓄电池取走，且没有电容器，那么在母线上的剩余反向电流将无路可走，除非在通常连有蓄电池的电路上接有大容量的滤波电容器。假如采用适当频率的脉宽调制技术，这个电容器可以取合理的数值。为了得到最低的成本和较小的体积，铝电解电容将是所希望的。然而，铝电解电容通常不能用于105℃以上的温度场合，因此，不能简单地置于发动机附近的高温环境中。

即使将电容器与高温的交流发电机进行一定的隔离，以避免温度超过105℃，电容器的寿命也会随温度上升而很快下降。因此，在车盖下的环境中通常不允许使用铝电子器件。可以使用耐高温的钽电容，不过它们体积大，价格昂贵，对成本敏感的大规模的汽车业缺少吸到力。

此外，即使能够利用电容器来吸收转换过程中的瞬态能量，仍潜存一个由磁场线圈大量储能和很长的时间常数而引起的问题。例如，假若交流发电机的转速或负载突然变化，交流发电机调节器将励磁电压极性从一个方向近于全电压(例如在正向极性模式下的增压)转变为另一个方向的很大电压(例如在反向极性模式下的减压)，如不存在蓄电池和***不带负载(除了磁场线圈)，势必会产生很大电压的暂态过程。

在这种状况下，磁场线圈中的初始能量势必输入到电容器中，除非电容器容量极大或者母线电压被箝位，否则产生过电压。

尽管吸收由脉宽调制产生的纹波脉动电流不需要很大尺寸的电容器，但要能够吸收磁场绕组的高能量而不会产生过电压则电容器的体积必须很大。即使采用电压箝位限制电容器电压，费用也是很贵的，此外，高温环境下的可靠性及车盖下方狭窄空间内各部件的尺寸都将产生问题。

市场需要一种即使不存在蓄电池也能采用脉宽调制技术、同时又不需要大的电容器的解决方案。

第二个更敏感的问题是，当车辆停止时，必须采取预防措施，防止在反向极性模式下提供反向电流的电压调节器不能有效动作。在发动机和交流发电机转速很高的情况下，来自永久磁铁的磁通几乎被复合式转子绕组中的反方向的磁通全部抵消。假如抵消的磁通瞬时断掉，例如关断高速运行的交流发电机的点火开关时，交流发电机的输出电压将很快地增加到足以损坏常规汽车中的电气元件的水平。

本发明包含一个自动联锁装置，它独立于车辆的点火***而自动向电压调节器供电，以防止调节器不适当地失去激励。当车辆停车时，自动联锁装置，从车辆蓄电池吸收的电流很少或不吸收，不会导致车辆蓄电池放电。

经过优选的实际电压调节器还包含以一种新颖的方式抑制暂态电压，即采用某些开关(最好为FET)在正向和反向极性模式之间切换转子绕组，从而完成抑制暂态电压的第二种功能，即避免危及蓄电池母线上的电压调节器和其它***。

考虑到现有技术存在的问题，本发明的目的之一是提供一种在低的RPM下能高效运行的交流发电机。

本发明的另一个目的是提供一种将转子中的永久磁铁组件产生的恒定旋转磁场与转子绕组产生的可变旋转磁场结合起来的交流发电机。

本发明的再一个目的是提供一种交流发电机，其在相同的输出功率下比现时的交流发电机要轻，或者在相同的重量下产生更高的输出。

本发明的再一个目的是提供一种高效的双电压的交流发电机，最好两个电压在负载变动的情况下都能很好地进行调节。

本发明的再一个目的是提供一种用于复合式交流发电机的电压调节器，其具有自动联锁作用，以防止当交流发电机处于反向极性模式时调节器失去激磁。

本发明的再一个目的是提供一种用于复合式交流发电机的电压调节器，用于抑制暂态电压。

本发明的再一个目的是提供一种用于复合式交流发电机的电压调节器，使得交流发电机运行时无需附加蓄电池，也无需昂贵的电容器或电压箝位器。

本发明的再一个目的是提供一种复合式交流发电机，当装有该交流发电机的车辆空转运行时，能提供最大额定电压和电流。

本发明的再一个目的是提供一种交流发电机，通过在定子中采用径向冷却的线槽得到最大的冷却效果。

对于本技术领域中的专业人员显然能够理解的上述以及其它目的，在本发明中均得以实现；本发明中的复合式交流发电机包括一具有定子绕组的定子，以及被定子环绕、由磁场绕组转子部分和永久磁铁转子部分结合而成的转子。磁场绕组转子部分具有多个磁极并安装在转子轴上，以便在定子的第一纵向区中旋转。永久磁铁转子部分也具有多个磁极，其数量与在磁场绕组转子部分中的磁极数量相对应，也安装在轴上，处于与磁场绕组转子部分相关的一个或多个纵向分开的位置上，以便在定子的一个或多个附加纵向区域内旋转。

永久磁铁转子部分可以包括多个永久磁铁，每极一个，围绕转子周边配置，以便产生无需电源维持的永久磁场。另外，该永久磁铁磁场可以由一个或多个实芯的永久磁铁圆盘产生，圆盘上形成交错的磁极。其它适宜的磁极几何形状可以由本技术领域的专业人员设计。

磁场绕组转子部分包括一个转子绕组，其可由正向或反极性电流激磁，以便增加或降低输出。在变化负载的状况下，转子激磁电路按照需要向转子绕组提供正或反向极性激磁，以便维持预期的恒定输出电压。转子激磁电路最好利用脉宽调制技术改变激磁大小和输出。

在优选的设计中，交流发电机的永久磁铁磁极和磁场绕组磁极以凸极结构配置。可以利用单个永久磁铁或具有多个磁极的实芯圆盘磁铁形成永久磁铁磁场。磁化的方向可以取与转子轴相垂直的方向，或者在能进行磁通集中的其它具体情况下，磁化的方向可以沿纵向或圆周方向取向，然后利用磁通引导元件将该磁通转为径向经过气隙。

在优选的双电压电机结构中，电压变换电路产生第二电压，它从单个三相定子绕组的输出端得到电源。现有技术的双定子绕组也可以用来产生两个不同的输出电压。

在本发明的第一个替换实施例中，转子的永久磁铁部分包括一实芯圆盘，其上连接有多个磁极的纵向磁化的磁铁。一个或多个圆盘可以用在一个或多个永久磁铁转子部分。利用高导磁率材料的极靴产生磁通集中并将磁通引导到气隙。该极靴还用来支承磁场线圈的沿伸部分从而允许交流发电机在高RPM下运行。

本发明的第二替换实施例采用嵌入式永久磁铁。各磁铁沿圆周分开设置，极***替变化并且沿圆周方向磁化。利用高导磁材料的极靴将磁通引导到气隙和进行磁通集中。通过利用非磁性材料的毂环使得磁铁和极靴与轴形成磁隔离。

复合式交流发电机的设计，使其当车辆在空转速度运行时产生全额输出电压和电流，并且在整个运行速度范围内产生全额输出。

本发明还包含一用于复合式交流发电机的电压调节器。在电压调节器的第一个实施例中，采用桥式转换电路控制电流沿正向和反向通过转子绕组。该桥式转换电路受控工作于三种状态，包括1)将正向电压施加到转子绕组上的正向极性模式，2)将反向极性电压施加到转子绕组上的反向极性模式，3)衰减方式，没有电压加到绕组上，而是使在正向或反向极性模式下产生的电流衰减。在这一实施例的最优选的结构中，控制***是数字式的，桥式转换电路是由场效应管构成的。

在这种结构中，衰减电流经过桥式电路的下面两个FET(场效应管)，检测电路检测该衰减电流，如果该电流未衰减到近于零的数值，则禁止电压调节器转换到相反的极性模式。

电压调节器的最优选结构，采用自动联锁装置，以便自动向电压调节器供电并且只要交流发电机在旋转就保持供电。该桥式电路是专门设计的，以便抑制暂态电压脉冲尖峰，因此具有双重功能。

为了满足输出功率的需求，特别是考虑希望使交流发电机维持相对小的封装尺寸，要求具有高的能量密度。这意味着，交流发电机运行相对高的温度下，对电子器件的预期寿命有影响，并要防止永久磁铁去磁。因此，该复合式交流发电机的优选实施例采用新颖的方法，将外侧冷却空气导入经过各线槽，这些线槽位于围绕定子绕组中心的沿圆周方向的外壳部分。

在本申请所示的复合式交流发电机中能够实现这一点，因为在永久磁铁部分和磁场绕组部分之间有交流发电机的间隔部分，利用其中只有很少或没有磁通的区域，将定子分为两个分开的区域。

复合式交流发电机的另一个实施例在转子绕组和定子绕组之间采用了新颖的连接方式。通过采用这种方式，电压调节器得以简化，显著地降低了元件的成本。电压调节器交替地将转子绕组的其中一端连接在蓄电池的正端和地线上。转子绕组的另一端连接到定子的中性点(其运行在接近蓄电池电压的二分之一)。为了交替连接转子，以便在正向和反向极性模式之间进行转换，在调节器中的转换电路仅需要2个开关。

本发明还包括用三态调节器控制双向电流通过交流发电机绕组的方法，其中仅在正向和反向极性模式下电流的幅值(不管方向如何)才增加，仅在衰减模式下通过绕组环流的衰减，才使电流的幅值降低。

附图简介

图1是通过本发明的复合式交流发电机的轴并与之平行的纵向断面图。

图2是沿图1中的2-2线所取的，与转子轴垂直的经过交流发电机的磁场绕组转子部分的横断面图。

图3是沿图1中的3-3线所取的，与转子轴垂直的经过交流发电机的永久磁铁转子部分的横断面图。

图4是本发明的交流发电机的电路示意图，具有用于调节电压的转子激磁电路和用于产生第二输出电压的电压变换电路。

图5是在本发明的典型实施例中为了维持恒定电压输出所需的磁场电流与内燃机RPM之间关系的曲线图。

图6是沿与采用实芯圆盘形永久磁铁的，本发明的第一替换实施例的转子轴平行的方向所取的断面图。

图7是10个磁极的圆盘形永久磁铁侧剖面图，用在图6所示的本发明的第一替换实施例中。

图8是扇形磁通引导元件的正向剖面图，该元件用在图6所示的本发明的第一替换实施例中。

图9是沿图8中的线9-9所取的，扇形磁通引导元件的横断面图。

图10是利用嵌入式永久磁铁的本发明的第二替换实施例的横断面图。

图11是沿图10中的线11-11所取的，表示转子的嵌入式永久磁铁部分的横断面图。

图12是用于控制复合式交流发电机转子绕组桥式电路的电压调节器的方块示意图。

图13是对应于图12方块示意图的详细电路图。

图14是用于复合式交流发电机的新颖方式的接线图，其转子绕组连接到定子绕组的中性点。

实施本发明的方法

参阅图1，本发明的交流发电机包括的定子10具有第一纵向定子区12和第二纵向定子区14。如图4所示的三相定子绕组16穿过在定子内部形成的线槽18(见图2和图3)。

以前头20总体表示的转子安装在轴22上以便在定子10内旋转。转子包括在第一定子区12内旋转的磁场绕组转子部分24和在第二定子区14内旋转的永久磁铁转子部分38。

磁场绕组转子部分24具有转子绕组28，当通过轴22上的滑环30、32向其提供电流时，绕组被激磁而产生磁场。常规的电刷(未表示)应安装在外壳36的区域34内，电刷与滑环30、32接触，给转子绕组提供激磁电流。

永久磁铁转子部分38安装在轴22上与磁场绕组转子部分24纵向相互隔开。该部分包括多个围绕其周边分布的永久磁铁40，磁化方向相对转子轴而言为径向。磁铁产生穿过转子和定子之间气隙的多极永久磁场。

图2是经过定子的第一区12的横断面图，在该区中磁场绕组转子部分产生旋转。磁场绕组转子部分是由具有图2所示横断面形状的多个沿着转子轴相邻叠装的薄铁片按常规方式构成的。另外，磁场绕组转子磁极也可以利用磁性材料实芯铸造而成。转子上的每层铁片包括多个磁极42，转子绕组28围绕各磁极分布，按相反的方向交替绕在各磁极上，以便产生交替的北极和南极磁场。

因此，定子的第一区12和转子的磁场绕组转子部分24作用好像一凸极交流发电机，当激磁电流提供到转子绕组28上时，由定子绕组16经过输出引线44、46和48(如图1和图4所示)产生输出。复合式交流发电机-径向磁化的永久磁铁

图3是一台具体交流发电机的永久磁铁转子部分的横断面图。永久磁铁转子部分包括呈矩形片状的8个永久磁铁40，它们固定在永久磁铁转子叠层部分38上。磁极可以多于或少于8个，不过必须与磁场绕组转子部分具有相同的极数。可以采用不同于矩形片的形状，例如片的厚度可以变化，以便与转子的曲率相匹配。

每个永久磁铁片沿着它的厚度方向磁化，安装时应使得磁化方向径向沿伸，即沿与轴22相垂直以及与片40的外表面正交的方向延伸。

片40固定在沿永久磁铁转子周边分布的叠层部分38的开口上，安装方式为交替使一个片的北极面向外，下一个片的北极面向内。采用这种方式，当正向激磁电流提供到转子绕组28上时，由转子绕组部分产生的磁场与永久磁铁磁场相叠加，而当提供反向电流时，与永久磁铁磁场则相减。在说明性设计中所采用的永久磁铁是由钕构成的，然而也可以采用其它磁性材料例如陶瓷或钐钴磁铁，并且在特殊的应用场合可能更优越。在生产中，钕磁铁表面镀有一层镍。

除了用于固定磁铁的开口以外，叠层部分38包括多个开孔50，以便降低重量和使冷却空气流经交流发电机。

通晓电机尤其是交流发电机的人都知道，永久磁铁40在转子上产生永久磁场，当轴22旋转时，该磁场在定子绕组16中感应电压。轴的旋转通常是利用皮带和皮带轮拖动，然而，也可以采用齿轮驱动或其它方式。

在图1所示方案中，定子绕组16从环绕磁场绕组转子部分的第一定子区连续延伸到环绕永久磁铁转子部分的第二定子区。因此，当轴22旋转时，在定子绕组16中感应的电压，部分是由于永久磁铁产生的磁场的作用结果，部分是由于在磁场绕组转子部分的绕组28中的激磁电流产生的磁场的作用结果。还可以在两个定子部分分别设立绕组，而将它们的电输出相加。

在图1、2和3所示的方案中，交流发电机的定子部分在区14和区12中是相同的，都包括相同的线槽18和定子绕组16。不过，线槽18是扭曲的，其扭曲程度沿其长度方向等于一个或多个定子槽距。扭曲的目的在于防止磁场的齿槽效应。在没有这种扭曲的情况下，由于在定子和转子之间的气隙中因槽口引起的可变磁阻的影响，会产生磁场齿槽效应和有害的振动。定子是由薄电工钢片叠装而形成的。每层钢片与相邻钢片之间具有足以沿着槽的长度方向形成一个定子槽距扭曲的旋转偏移。

尽管在图3中没有表示，永久磁铁部分还包括一预制的圆柱形套筒，由重量轻但强度高的材料(例如与树脂结合的碳纤维)制成。套筒的壁很薄，其内径等于永久磁铁转子部分的外径。套筒包住永久磁铁转子部分，防止由于高速运转产生的离心力使磁铁40飞出损坏定子。

当交流发电机轴22旋转时，磁铁部分在定子绕组16中感应电压，经过整流产生所需的输出电压。参阅图4，典型的定子绕组16由三个支路构成，它们连接到由6个功率二极管60构成的全波电压整流装置上。功率二极管60对定子输出进行整流，向蓄电池62提供充电功率，并经输出端64向车辆辅助装置提供电力。

在低的RPM下，由永久磁铁产生的交流发电机输出不足以在输出端64上提供所需的全电压。因此，需向转子绕组28提供正向极性激磁。这就增加了在转子绕组中的电流，增加了由转子绕组产生的磁场强度，增加了定子绕组16的输出，使输出电压增压到预期的数值。正向极性和由其感应的正向电流使转子绕组产生的磁场加到永久磁铁产生的磁场上，即增压模式。

通过向转子绕组28提供正向激磁电流使输出增压，仅在发动机转速很低的情况下才是必要的。随着发动机转速增加，定子的输出增加，在某一速度下仅依靠永久磁铁定子就会产生预期的输出电压，不再需要向转子绕组28提供激磁电流。然而，超过这一转速，永久磁铁将在定子绕组中产生过电压。

为了在高的RPM下，降低这种过电压，向转子绕组28提供反向激磁电流，在减压方式下降低交流发电机的输出。图5提供了使定子绕组16的输出端64处的输出电压维持恒定所需要的转子绕组28中电流与发电机RPM的函数关系曲线图。提供该曲线图是为了说明实施本发明的一种可能的方案。改变交流发电机对发动机的齿轮传动比、转子和定子绕组的匝数和电阻以及由永久磁铁和转子绕组产生磁场的相对强度都将会影响任何特定应用场合的实际曲线。

参阅图5，可以看出，曲线66中需要正向激磁电流的增压部分从接近600RPM的空转速度直到1200RPM为止。当RPM从600RPM达到1200RPM时，维持恒定输出电压所需的正向激磁电流的量值在降低，在点70达到零。在该点，所有的激励都是由永久磁铁转子部分产生的。当速度超过1200RPM时，进入曲线的减压部分68。在这部分曲线中，需要反向激磁，在座标轴上用负的电流值表示，防止输出电压超过预期数值。

通过改变磁场绕组转子部分和永久磁铁转子部分之间的输出相对比例，可以调节在增压和减压模式之间的转换点70。参阅图1，通过调节永久磁铁40的磁场强度或转子绕组产生的磁场强度可以实现这一点。另外，也可以通过改变永久磁铁转子部分14和磁场绕组转子部分12的相对尺寸来改变。在图1中表示出尺寸接近相等的情况，不过可以根据需要改变比例，以便调节增压区和减压区的交叉点。双电压复合式交流发电机

在图1所示的本发明最简单的形式中，定子绕组16采用在图4中所示的传统接线方案。然而也可以采用其它的定子绕组配置。例如，在定子上绕制两个独立的绕组，以便产生两个不同的输出电压。本发明考虑了这种产生双电压的方法，用于希望既有12伏的输出同时还有更高的电压(通常为48伏)输出的场合。然而，双电压运行的更好方法是利用图4所述的电压变换电路。

本发明还考虑了其它各种方案。例如，在单一的电压结构中，定子绕组可以包含两个独立的定子绕组，一个仅在环绕磁场绕组转子部分的第一区12内部，另一个仅在环绕永久磁铁转子部分的第二区14内部。然后将来自分开的定子绕组的输出根据需要在电气上连接起来，以便提供所需的输出电压。

继续参阅图1，可以看出，在定子的两个区域之间存在间隙52。这个间隙是任选的，不过假如采用，应当用低导磁率的材料构成，以便隔离定子的磁化区12和14。该间隙也可以是简单的气隙，或者利用低导磁率的固体材料(例如塑料之类)部分地或完全地填充。当定子绕组16从第一区12穿过该间隙延伸到第二区14时，该间隙可以利用在转子垂直方向上与定子具有相同横断面形状的材料来填充，从而提供连续的线槽18以便于在线槽内部放置构成绕组16的定子导线。复合式交流发电机-通过定子的径向冷却槽

在优选实施例中，在定子部分12和14之间的气隙52不是密封的，而是对外部空气敞通的。冷却空气经过定子二部分之间的空气隙52进入交流发电机的内部，然后利用在交流发电机的一端或两端的风扇(未示出)将空气从交流发电机端部导出。

对于图1所示的定子，两个部分的几何形状使得冷空气流可以导入最需要冷却的交流发电机的中部区域。这种结构增强了发电机热能耗散能力从而获得最大输出功率密度。气隙最好装有一轴向的垫圈，上面有一系列的径向开孔，它们使垫圈圆周部分表面积的约85％以上对气隙开通，使冷却空气进入交流发电机的最热的部分。与空气在这一区间仅有纵向流动的现有技术相比，箭头53表示冷却空气径向经过定子进入交流发电机内部的入口。

径向通过定子的空气可流经转子和定子之间的气隙。磁场绕组转子部分也可以设有空气流动开孔，它们与永久磁铁部分中的空气流动通道50轴向成一直线。经过定子铁芯吸入交流发电机中心的空气流经大部分定子线圈、部分磁场线圈和二极管，以及通过永久磁铁部分。

通过在定子铁芯垫圈和在转子部分设有空气流动开孔，除了降低交流发电机的温度和提高空气流量以外，还使交流发电机的总重量明显降低。空气流动开孔位于交流发电机的非主要磁路上。因而，附加这些开孔或空气流动孔并不降低交流发电机的电输出或影响它的效率。

与之对比，现有采用伦德尔或爪形磁极几何形状的交流发电机没有比两端通风提供更多的途径。因为伦德尔或爪形磁极结构是相对实体结构，没有地方能够让空气流动，因而不可能通过定子铁芯的中部通风也不可能经过转子区域通风。

通过提供附加的平行空气流动通道，交流发电机中的冷却风扇不需要太高的压差就能使指定容积的空气流过。这既降低了交流发电机的噪声，又允许改变风扇叶片直径和叶片设计，从而降低交流发电机的总体尺寸。

空气流动对使永久磁铁的温度在所有的运行状态下保持尽可能地低，是特别有价值的。这提高了交流发电机的输出，并将高温下的去磁风险降至最小。这就使得处在现代汽车车盖下方高温状态下的交流发电机能产生最大可能额定输出。

电压调节器-两种基本状态的PWM调节器

为了维持交流发电机的预期的恒定输出电压，需要向转子绕组28提供正向或反向激磁电流，电流变化方式与在图5中所示的相似。在图4中表示了适于实现这一目的的转子激磁电路。来自定子的整流输出64在合成器电路82中与参考电压80相比较，从输出电压64中减去参考电压，并沿线84向函数发生器86提供误差信号。

当输出电压64低于参考电压80时，由函数发生器控制的调制器88经过滑环31、32向磁场绕组28提供正向激磁电流。通常将参考电压设定为蓄电池62的预期充电电压。当输出电压64上升超过参考电压80时，函数发生器向磁场绕组28提供反向激磁电流。

函数发生器86和调制器88可以简单地提供所需数值的稳定的正向或反向激磁电流，以便产生所需输出并线性地将误差信号84降低到零。然而，仅需要使平均电流接近预期的数值，所以较好的方法是采用脉冲来调节通过转子绕组28的平均电流。正极性的脉冲提供正向电流，反极性脉冲提供反向电流。脉冲宽度是可变的，以改变平均电流。这就得到了一种有效的电路来提供变化的电流，构成了基本的两状态脉冲宽度调制(PWM)电压调节器电路，在正向和反向极性模式之间直接交替进行转换。

电压调节器-双电压交流发电机

转子激磁电路包含元件80～88，其能在64提供恒定的输出电压，向各电路供电和使蓄电池62充电。假如交流发电机是单电压交流发电机，这就足够了。假如交流发电机是双电压的交流发电机，则通带将采用两个替换设计方案的其中之一。在最简单的设计方案中，如前所述定子将装有第二绕组。误差信号84可以根据两个定子绕组之一的输出来决定，当调节第一个输出时，第二个输出只能被动跟随。

另外，可以采用作为两个绕组输出电压函数的误差信号，此时对任一输出都不能进行精确调节，却能使两者保持在接近由复合误差信号决定的预期数值上。

然而，图4表示的是根据本发明设计的双输出电压交流发电机的最好方案。在该设计中，交流发电机是单输出电压，但输出端64产生的恒定电压较高，用于具有较高电压的蓄电池62。

第二电压不是由第二绕组产生，而是由电压变换电路90产生。按照与上述激磁电路相似的方式，在合成电路98中将参考电压94与连接到第二蓄电池92的输出电压96进行求和，以便在线100上产生误差信号。

函数发生器102控制调制器104。调制器104产生一系列脉冲使开关106导通和关断。这种开关式电源是常规的，并产生一调节输出的电压，利用电容器108和线圈110进行滤波。

用于开关式调节器的电压源，其电压必须高于调节器的输出电压，可以沿线114连到输出端64或者沿虚线116直接到定子绕组16。

通常，会选择这一个或另一个电源，并沿线114或116进行永久性的连接，而不是经过开关118连接。

复合式交流发电机-轴向磁化的永久磁铁

图6表示交流发电机的第一实施例，用200表示，它采用具有多个磁化磁极的一对实芯圆盘形永久磁铁210和212。该圆盘可以由永磁材料粘接而成。定子214基本上与在前述实施例中介绍的定子14相类似，因而仅用轮廓线予以表示。通常它包括的三相绕组绕在由优质电工钢制成的叠层或铸造定子的线槽中。假如需要，在双电压输出方案中可以采用双绕组。

与前述定子气隙52相对应的定子气隙可以在磁场绕组转子部分的任一侧采纳使用，以便永久磁铁部分对应的定子和磁场绕组部分对应的定子相隔离。可以采用与在图1-3所表示的方案相类似的单一永久磁铁部分，或者采用如在图6所示实施例中的双永久磁铁部分，双磁铁之间由磁场绕组转子部分纵向隔开。

图7单独表示了实芯圆盘永久磁铁元件。它可以由分立永久磁铁元件制成，不过最好由一整片制成，沿着它的厚度方向磁化，当组装时沿与轴平行的纵向磁化。它与图1和图3所表示的永久磁铁的磁化方向成90°，在图1和图3中沿径向而不是沿纵向磁化。

为了发电，转子的磁力线必须穿过转子和定子之间的气隙216，并切割定子绕组。因为是纵向磁场，必须使磁通转向，指向气隙。通常利用参考数码218表示的磁通引导元件来实现这一点，该元件由图8和图9中所示的多个极靴220构成。极靴200将来自永久磁铁圆盘210的磁通转向到气隙216，以便穿过定子绕组。第二磁通引导元件包含一磁通返回板222。采用两个磁通返回板，位于在转子的二端面上，每个磁性圆盘一个。

通过形成实芯圆盘永久磁铁并改变磁化方向，机械强度得到改进，增大了磁铁尺寸和表面积。这就保证了固有强度，并使得从很大圆盘表面引出的磁通在引导到气隙时被极靴220加以集中。

在该实施例的优选结构中，极靴220中具有开口224，转子绕组的延伸部分缠绕在开口上。这种形状加强了绕组的强度，使得能够在很高的转速下不会损坏危及转子。

端板222，永久磁铁圆盘210、极靴220和绕组转子由穿过极靴上的228孔及圆盘上的230孔的铆钉226固定在一起。

图6中各转子元件在轴22上的安装方法与图1所示的方法相同。轴22的轴颈安装在轴承盖中，并具有与电刷接触的滑环，用于向激磁绕组转子部分提供电流。电压输出与调节与前述相同。

复合式交流发电机-沿圆周方向磁化的永久磁铁

图10和11表示本发明的另一个实施例，一般用参考数码300表示。在该实施例中，将永久磁铁埋置在由非磁性材料例如铝制成的护圈304中，该护圈环绕转子轴22形成一个毂环。该护圈将磁铁与毂环进行磁隔离并可靠地将其固定。

与先前的两种方案一样，永久磁铁302沿着它的厚度方向被磁化。然而，它们按照第三种磁化方向安装，也就是沿相对于轴的圆周方向。将图11中的嵌入式磁铁***到非磁性的护圈中，在沿圆周方向邻近和介于各磁铁302之间的各磁通引导元件306之间交替定向。磁通引导元件306是由高导磁率材料制成的。它们如箭头308所示，将来自磁铁的磁通导引到转子和定子之间的气隙。

这种设计方案与图6-9所示方案一样，能够在很小的空间中使用相对大量的永久磁铁材料，并使磁通在转子周边被集中。在某些应用场合，这就允许人们采用较价廉的永久磁铁，以降低成本。在利用高性能磁铁的场合，图1-3所示的方案可能更好。

定子310与图1-3中所示的定子基本相同。非磁性端盖312为磁场绕组314的转子延伸部分提供支承。用于转子绕组的类似端盖可以与磁铁护圈合为一体，或者可以作为一个零件。应当注意，这个端盖与在图6中所示的磁性材料片220的外表相似，但在这一方案中它是由非磁性材料构成的，在图6所示方案中则是由永磁材料构成的。

电压调节器-三态方案

图12表示桥式三态电压调节器的第一优选实施例的方块示意图。电压调节器控制上述复合式交流发电机转子绕组400上流过的双向电流。该调节器还可以用于其它需要三态控制的交流发电机上。转子绕组400与转子的永久磁铁部分一起在复合型交流发电机的定子绕组402、404、406中产生磁通。

通过利用4个形成桥式开关电路的开关408、410、412和414来实现双向电流流动。第一上部开关408连接到绕组400的第一端，并与第一下部开关414构成第一对开关。当这些开关闭合时，转子绕组400的第一端沿着正母线418连接到蓄电池416的正端，转子绕组400的第二端沿着接地线420连接到蓄电池416的负端。当第一对开关408、414闭合时。电压调节器处于正向极性模式或增压模式，正向电流从与开关408连接的转子绕组400的第一端流向连接到开关414的转子绕组100的第二端。

第二上部开关410与第二下部开关412构成第二对开关。当第二对开关闭合时，转子绕组的第二端连接到正母线418，其第一端连接到接地线420。在这种构成方式下，电压调节器处于反向极性模式或增压模式。控制逻辑使得绕组400在正向极性模式下，由正向电流产生的磁通与转子的永久磁铁部分产生的磁通相加。

相反在反向极性模式下，流经转子绕组400的反向电流产生反极性的磁通，其与来自永久磁铁的磁通相减。

为了调节复合式交流发电机的输出，现有技术如前文基本PWM调节器中所介绍的。只简单地使转子绕组400在正向和反向极性模式之间进行转换。仅工作在这两种模式的电压调节器可以称为两态PWM电压调节器。当需要增加输出时，将电压调节器转换到正向极性模式，当需要降低输出时，则转换到反向极性模式。

然而，如上所述，当通过开关408和414已经在转子绕组400中产生正向电流时，相当大的能量存储在由绕组400产生的磁场中。假如第一对开关408和414立即断开而第二对开关410、412立即闭合，在正向极性模式下产生的电流将继续流动，随着转子绕组400产生的磁场缓慢地衰减。在某些情况下，当反向电流通过第二上部开关410和第二下部开关412时，这一正向电流仍继续流动。此时它作为反向电流出现在正母线418上。假如该母线上的净负载很低，并装有蓄电池416，这一反向电流一般会流入蓄电池对其稍微充电。然而，在没有蓄电池或出现其它类似情况时，产生很大的电压脉冲峰值，可能损坏车辆各种元件。

这些脉冲峰值和车辆电气***负载变化所引起的其它冲击，可以通过在蓄电池416的正母线端418和接地端420之间接一电容器来吸收。然而，具有足够容易并且温度额定值适于在车盖下方工作的电容器将是非常昂贵的。

因此，电压调节器的优选实施例采用了可以称为三态电压调节器的设计方案。在这种结构中，为了在绕组400中起始形成正向电流或为了增加已有的正向电流，电压调节器采用正常的正向极性模式。反向极性模式用于起始形成反向电流或增加反向电流的幅值。第三种模式这里称为衰减模式，是在电压调节器脱离正向或反向极性模式以后进入的模式。

在衰减模式中(也可以认为是零电压或零极性模式)，在另两种模式之一下产生的电流通过转子绕组形成环流并衰减到零，而不会在其它电路上感应出危险电压。这种衰减模式是在脱离另两种模式之一时存在衰减电流的情况下进入的，以防止直接由正向极性方式直接转变到反向极性模式，或者进行相反的转变，这种转变将导致反向电流施加到供电电源母线上。

熟悉四元件桥式电路(例如全波电路、桥式整流电路以及其它类似电路)的人都知道，在使用常规桥式电路时，斜对的两个元件构成一对，应同时导通。因此，第一对开关在第一种状态导通，第二对开关在第二种状态下导通。在三态设计方案中，正对的两个元件(不是斜对的)同时断开，使电流流经其余的两个元件，形成衰减环流模式。

例如，在正向极性模式下，开关408和414闭合。在衰减模式下，开关408断开而开关414维持闭合。在本发明的某些实施方案中，这时将开关412闭合，从而提供一条正向通过第一下部开关414，并反向通过第二下部开关412返回的通道。然而正如下文更充分讨论的，开关412和414是半导体开关，最好是场效应管，因为场效应管在反向模式下能通过内部的二极管导通，无需为了闭合开关而施加控制信号。当反向电流流过内部二极管时，二极管上产生电压降，可用它检测衰减电流的存在。

通过使衰减电流流经上部开关408和410，也可以实现衰减模式。

继续参阅图12，由转子绕组400和永久磁铁形成的合成磁通在定子绕组402、404和406上产生电压，然后经由6个二极管422、424、426、428、430和432组成的常规三相全波整流桥整流。这6个二极管对应于图4中的二极管60。整流输出经正电源母线418向蓄电池416馈电，并经接到电源母线418上的连线(未示出)向车辆的电气负载供电。

利用电压监测电路436经线434监测交流发电机的输出电压。电压监测电路将交流发电机的输出电压和来自电压参考电路的参考电压相比较，并在线440上产生一个误差信号。

误差信号440接到控制电路442的输入端。控制电路442包括基本电路444、衰减电流检测电路446和逻辑电路448。基本电路直接响应于经线440输入的监测电路的误差信号，并产生一个或多个基本控制信号，控制逻辑电路448，以便增加或降低交流发电机的输出。

在基本的两态PWM调节器中，当希望增加输出时，基本控制信号被用来使第一对开关导通；希望降低输出时，使第二对开关导通。

然而，在本发明中，在第二级控制信号产生之前，利用由衰减电流检测电路446得到的信息在逻辑电路448中对基本控制信号进行修正。第二级控制信号沿控制线450、452、454和456分别控制开关408、410、412和414的工作状态。

衰减电流检测电路446用于监测转子绕组400中的衰减电流。在优选方案中，这种监测通过衰减电流检测电路446与绕组400第一端的连线458，及与第二端的连线460按常规方式实现。衰减电流检测电路446产生一个或多个禁止信号，经线462和464施加到逻辑电路448的输入端。本技术领域的专业人员都知道，还有其它监测绕组400中衰减电流的方法。

自动联锁和内部电压调节器电源

三个附加的二极管466、468和470向产生Vcc的内部电源472提供独立电源，内部电源472为电压调节器提供工作电源。该电压被调节，以便为调节器提供控制电压电源。由于复合式交流发电机包含永久磁铁和磁场绕组两部分，一旦交流发电机开始运转就开始产生电压。随着电压升高，产生足够的电压向电子电路供电，从而产生附加的增压磁场。所有这一切在车辆达到空转速度之前就产生了，所以在空转时，电压调节器进入正常工作状态。

电压调节***具有自动联锁功能，当交流发电机不运转时，电压调节器回路被断开，吸收的磁场电流和控制电流几乎为零；但是当交流发电机速度上升时，自动接入电压调节器电子电路。

在复合式交流发电机中自动联锁是十分重要的，因为当***工作在高速状态时，励磁电流绝不应该突然关断，以免产生严重的过电压和过电流。这与现在点火开关能断开励磁电流的交流发电机形成鲜明的对比。重要的是，当车辆停运，发动机停车时，交流发电机励磁电流应为零，以避免蓄电池漏电，但是仅仅根据点火开关并不能作到这一点。这是因为当交流发电机高速运行时，点火可能偶然被切断。

图13是与图12的方块图相对应的详细电路图。蓄电池416连接到6个桥式整流器输出二极管422-432上，而二极管按图12所示方式连接到定子绕组402、404和406上。定子绕组402、404和406在图13上没有表示，不过它们的连接完全是常规的。

内部电源472包含NPN型晶体管502和稳定晶体管输出电压Vcc的齐纳二极管500。也可使用三端电压调节器件和其它电压调节电路。

蓄电池电压416经线434在电阻桥504、506和508上产生电压降，电压监测电路436通过此电压降监测蓄电池电压，电阻506是可调的，以调整调节器的输出电压。交流发电机的标定输出电压与来自电压参考电路438的参考电压在误差放大器510中相比较。

电压监测电路进行误差放大和回路补偿。来自参考电压源438的参考电压提供到误差放大器510的一个输入端，另一个输入端连接到蓄电池电压分压器。利用误差放大器510反相输入端和输出端之间的容性反馈网络实现积分补偿。该补偿网络用参照箭头512指明。该网络在交流发电机整个速度和负载范围内，消除了调节器电压的DC误差。

误差放大器的输出是放大了的误差信号，经线440提供到控制电路442的基本电路部分444。误差信号提供给起两态调制器作用的迟滞反相器516。当交流发电机输出太高时，误差信号440比较低，迟滞反相器516的输出将变高。这一高电平信号将使交流发电机的净磁场减弱。而当516的输出为低时，交流发电机的净磁场将增强。

基本电路444在线518、520、522和524上产生四个基本控制信号。基本控制信号518直接取自两态调制器516的输出，而基本控制信号520是信号518的反相信号。基本控制信号520，是由反相器526产生的。控制信号518和520可用于驱动两态基本PWM调节器中桥式转换电路的一对对角开关。基本控制信号是本文所述改进控制的基础，由其产生的二级信号完成开关控制。

反相器516的滞后作用与误差放大器436的增益和动态特性结合，控制电压误差并确定回路的自然振荡频率。基本反相器516的功能还可由具有锯齿波振荡器和相应元件的脉冲宽度调节器来实现，然而，这种方案太复杂，比图13所示的简单数字电路更昂贵。

由反相器528和530产生的基本控制信号522和524是518和520的延时拷贝。迟滞反相器516的输出经参考箭头532所示的简单阻容延时电路延时，因此，基本控制信号522是520的延时版本，而524则是518的延时版本。基本控制信号518和520用于向逻辑电路448提供输入，电路448最终产生第二级控制信号，以便转换各开关导引电流通过绕组400。

图12中的开关转换元件408、410、412和414对应于图13中具有相关驱动电路的场效应管(FET)534、536、538和540。当FET534和FET540导通时，交流发电机处于正向极性模式。当FET536和538导通时，交流发电机处于反向极性模式。当两个上部的FET或两个下部的FET关断时，交流发电机处于衰减模式，表明蓄电池或交流发电机输出电压没有加到绕组400上。

本发明的不同实施方案为可以关断两个上部开关，以便断开绕组400与蓄电池的连接，也可以关断两个下部开关。还可以采用其它结构将零电压提供到绕组400上。

除了将绕组400从蓄电池断开之外，绕组的连接方式应使电流可以衰减，不会在电压调节器其余电路中或汽车中的别处产生危险电压。实现这一点是让衰减电流经过两个连接到绕组400两端的开关进行环流。在图13所示的优选方案中，经过下面两个FET形成环流电路。然而，也可以经上面两个FET或通过其它元件形成环流电路。

FET538和540可以被导通以便形成环流电路，然而，FET的内部二极管，使FET即使没有偏置，也可以通过反向电流。当538和540截止时，衰减环流在FET的内部二极管二端产生电压，利用经引线458和460连接到绕组400第一端和第二端的衰减电流检测电路446对该电压进行检测。

在正向或反向极性模式中，当FET的漏极为高电位时，二极管542和544将比较器546和548与FET隔离。比较器546和548的一端接有由分压器和电压参考源438-Vref得到的参考电压，另一端的电压，比近于零的FET漏极电压高一个二极管压降，并经过滤波处理。二极管542和544将该电压电平提高一个二极管压降，因此比较器546和548的输入端上不会出现负电压。

图13中的逻辑电路448利用逻辑门550、552、554、556、558、560和562来构成。按照这些门电路构成的逻辑电路接收基本控制信号和经引线462和464输入的来自衰减电流检测电路446禁止信号，在引线450、452、454、456上产生第二级控制信号。

当第二级控制信号例如第二级控制信号454变为高电平时，与其相关的FET例如FET534导通。由门电路550、552和554所执行的逻辑功能与由门556、558、560和562所执行的逻辑功能是相同的。使用不同的逻辑元件来实施相同的逻辑功能是为了充分利用两个逻辑芯片。逻辑门550和562分别控制上部FET534和536。

逻辑门550是一个三输入AND门。仅当三输入AND门的三个输入电平都为高时，其输出才为高电平并使相应的FET534导通。这三个输入是：未经延时的基本PWM控制信号518、经延时的基本PWM控制信号524，以及来自衰减电流监测电路中监测FET540反向电流的禁止信号464。

禁止信号464的存在表明在绕组400中存在反向极性模式下产生的反向衰减电流。禁止信号464使第二下部FET538保持导通，同时立即使在其上方的FET534禁止导通。一旦在反向极性模式下产生的电流衰减到足够小的值，禁止信号464转变状态，允许电路改变工作模式。

虽然激磁电压有三种模式即正向极性模式、反向极性模式和衰减模式，实际上FET有四种不同状态。在正向极性模式下，FET534和540导通。在反向极性模式下，FET536和538导通。在衰减模式(有两种状态)FET534和536两者都关断。

衰减模式有两种不同的状态，即正向衰减模式和反向衰减模式。在正向衰减模式，使在正向极性模式下产生的电流衰减，FET540保持导通，FET538维持关断，但是经过它的内部二极管导通。在正向衰减模式下，衰减电流沿与正向极性模式下电流的相同方向继续流经绕组400。在反向衰减模式，FET538导通，FET540关断，但是经过它的内部二极管导通，反向电流经过绕组400顺流经过FET538并经过FET540形成环流。

本发明采用桥式电路，以便实现绕组400的双向激磁。电压监测电路436提供基本的误差放大，以便在线440上产生误差信号。电压调节回路包含补偿组件，控制回路频率响应，以便对蓄电池平均电压进行严密的控制。补偿放大器输出的误差信号440驱动脉宽调制器，或者其它两态调制器，调制器间接驱动全波桥式输出级电路，以便为跨接在电桥中心接头上的绕组400提供双向电流。

逻辑电路448修正基本电路444的输出，以便在磁场电流幅值增加过程中，使近于零的励磁电压施加到绕组400上，从而构成第三种状态。来自基本电路444的基本控制信号直接用作使电桥的斜对方向的一对开关导通。然而当磁场电流的幅值要降低时，采用零电压激励方式。

当利用来自单元444的基本控制信号控制磁场电流的瞬时幅值增加时，可通过使电桥上适当的对角元件导通，将具有适当极性的全额母线电压施加到磁场绕组上。然而，当磁场绕组电流幅值被降低时，只有先前导通的一对对角开关中的上部开关被关断。通过使下部对角开关延时关断和斜对侧两个开关延时导通，原上部开关中流动的感性磁场电流立即转变为在被关断开关下方那个开关中流动的反向电流。

由于前述的开关延时关断，在下部对角开关中的电流继续流动。由于另一个下部开关中反向电流的存在，原下部对角开关维持导通。如果反向导通的电力开关是图13所示的FET，当该开关延时导通时，反向电流首先通过FET的本征二极管，产生一个大约-0.6伏的电压降。假如下部反向导通的FET被触发导通，反向环流将经电阻流过FET，形成较低的电压降。

如上所述，在电流衰减过程中，反向导通的FET保持关断，以便利用FET本征二极管上的电压降作为衰减磁场电流存在的标志。即使是对很小的电流，非线性的二极管特性也能提供适当的电压电平，因此，可以利用形如546和548的简单电压比较器检测磁场电流的存在。当本征二极管电压比由参考电压源438和电阻分压器设定的阈值更负时，表明存在反向电流。

当比较器指明在反向导通的开关中存在磁场电流时，利用比较器信号禁止驱动另外两个对角元件，并使通有衰减电流的下部FET保持导通。在比较器指明磁场电流近于零之后，按照来自基本电路444的基本控制信号激励另一对对角电桥元件是安全的。在零磁场电流下导通另一对对角元件不会将任何反向电流引入到母线上，并且假如蓄电池被断开或***负载很少，也不会引起有害的电压脉冲峰值。

控制逻辑和三态调节方法

基本控制回路包括监测线434上输出的电压监测电路436，以及根据蓄电池电压和参考电压438之差工作的误差放大器。经放大的误差信号驱动包含在基本电路444中的脉宽调制器或其它两态调节器，以便产生基本控制信号，基本控制信号包括两态调制器输出端的PWM信号、反相的PWM信号和这两种信号的延时信号。基本PWM控制信号在通态和断态之间转换。处于通态时，控制一对对角元件导通，处于断态时，另一对对角元件导通，反之亦然。由于这两种状态基本上是断续发生的，最好采用数字逻辑电路实现控制***。

通过延时、禁止和其它信号，修正改进实际开关指令，以便产生更复杂的开关结构并避免反向母线电流出现，如下所述。

增加绕组400中的磁场电流幅值时，适当的一对对角电桥开关全导通。然而，为了避免反向电流流入母线，应控制电桥使磁场电流在仅包含下部开关的环流回路中自然衰减，而不是利用来自母线的反向激励强通电流更快地衰减。为了实现这种自然衰减，两个上部元件被关断，衰减的磁场电流经下部电桥元件构成环流。一个下部电桥元件正向导通，而另一个元件反向导通。这种自然衰减持续进行直到与迟滞反相器516相对应的两态调制器再次改变其状态或磁场绕组电流变到零。

在第一种情况下，原来导通的一对再次变为导通。在后一种情况下，当磁场绕组电流变为零时，另一对对角开关变为导通。在衰减电流接近零之前，通过禁止另一对对角开关导通，实现电流的自然衰减。因此，优选方案有多种运行状态：按输出开关状态分，有4种运行状态；假如忽略开关器件的压降，按磁场绕组上的瞬时电压分，则有3种状态。瞬时磁场绕组电压的三种状态是：正蓄电池电压状态，零电压状态和负蓄电池电压状态。

本发明采用如下步骤控制开关运行：

(1)根据未延时的PWM关断指令立即关断上部开关器件；

(2)当上部开关器件关断时，延时关断下部元件，而所有电桥元件则需在经相同甚至更长的时间延时以后才能导通，以便在下部电桥元件中自动产生环流。

(3)每个下部开关上的阈值比较器指示该器件中反向电流(衰减的磁场电流)的存在，由此形成的逻辑信号用于完成如下功能：

a)禁止驱动反向导通的FET开关，以避免干扰阈值电压测量；

b)禁止驱动导通另一个上部开关，因为其下方开关将导通形成衰减环流；

c)迫使另一下部FET维持导通以便通过衰减环流；

d)假如在磁场电流变到零以前，基本控制信号返回到它的原来状态，原来输出的那对对角器件将恢复导通，磁场绕组电流的幅值再次增加。当运行在恒定转速和固定负载时，这是正常的运行方式。***将运行在两种状态之间，在一种状态下利用母线电压驱动磁场绕组，对于另一种状态，在下部FET中利用环流使磁场衰减。零驱电压之后出现的全驱动电压其运行方式与原先相同，与平均磁场电流的方向无关。因此，在交流发电机转速较低负载固定的正常运行情况下，交流发电机将在正向极性模式和衰减模式之间(更确切地说，在正向极性模式和正向衰减模式之间)循环。当交流发电机运行在相对高的转速下，交流发电机将在反向极性模式和衰减模式之间(再确切地说，在反向极性模式和反向衰减模式之间)循环。在正向或反向极性模式与衰减模式之间的这些循环过程中，基本控制信号518将在导通和关断状态之间交替变化。

e)只有磁场电流在基本信号518返回到它的原有状态前就变为零的情况下，才能导通另一对电桥元件，使转子绕组400中的电流改变方向。假如平均磁场电流近于零或者交流发电机的转速或负载突然变化，将产生这种运行状况。

暂态电压抑制

图13所示的电压调节器采用一种独特的方法抑制暂态瞬变电压例如，在汽车业中众所周知的，由典型的“卸载”产生的暂态电压。卸载是指蓄电池的重负载突然断开或者当输出大电流时蓄电池本身被断开。在这种状况下，需要一种抑制器，以便吸收在交流发电机绕组中存储的电感能量。本电压调节器使用齐纳二极管580及二极管582、584、586和588，以导通电桥上的FET二极管，使得电桥FET能够吸收暂态电压。FET器件能够有效地吸收大功率脉冲，因此，在产生暂态电压时适当控制电桥装置就能使这些器件完成双重功能。

其余的晶体管和反相器590、592是电桥上各个FET的驱动电路。上部的功率FET534和536直接利用常规的NPN/PNP电平位移电路来驱动。最接近FET门极的PNP晶体管594和596提供有效的门极下拉作用。利用该电路，使FET导通和截止相对变慢，使干扰降低。内磁场电流在全额交变磁场电流和零之间调制时，交流发电机输出电流能产生阶跃变化。由于交流发电机具有一定的输出感抗，故它的电流不能瞬时变化。功率FET上较慢的上升和下降时间部分地减轻了这个问题，由齐纳二极管580及相关二极管582-588构成的电压箝位电路保护FET不会达到它们的击穿电压，击穿电压应比箝位电压略高一点。采用大约27伏的箝位电压。

反相器590和592构成两个充电增压振荡器。振荡器与整流和相关电路(用箭头591和592表示)一起，在线595上产生一个高于蓄电池电压的电压，用于驱动上部功率FET切换蓄电池电压。

中性点特殊连接的交流发电机

图14表示用于复合式交流发电机的新颖接线线路，其中转子绕组600连接到定子绕组602、604和606的中性点。

如上所述，为了增加交流发电机的输出电压，复合式交流发电机的转子绕组600必须利用正向极性电压供电，为降低交流发电机输出必须利用反向极性电压供电。在图12所示的三态电压调节器中，是利用四元件电桥电路中二对对角开关的交替导通，实现极性反向。一对开关将转子绕组连接在蓄电池全电压和地之间，以便产生正向电流；另一对开关将转子绕组按照反极性连接在蓄电池全电压和地之间，从而在绕组上产生反向电流。

电桥电路至少需要4个开关元件才能实现极性反转。然而在图14所示的电路中，仅需要两个开关。转子绕组600的第一端连接到定子绕组的中性点608，第二端连接到电压调节器642中的开关电路624。图14中的交流发电机的中性点608位于三个单子定子绕组602、604和606的中心点上。也可以采用多相绕组，将不同数量的单个定子绕组在一端全都连在一起，形成星形接法。多相定子绕组的电压按常规方式在由二极管612～622组成的多相整流桥中被整流。

因为星形定子绕组的中性点电压约为蓄电池610电压的近二分之一，简单地将转子绕组的对端连接到蓄电池610的正端，就可以在转子绕组600中产生正向电流。另外，为了在转子绕组中产生反向电流，可以将对端接地。

尽管在这种结构中施加到转子绕组上的电压小于在桥式电路中施加的电压，但可以通过调节转子绕组的匝数和阻抗产生同样大小的电流，从而产生所需的磁通。

转子绕组的第二端在蓄电池和地之间的转换是利用仅由两个开关626和628构成的转换电路624实现的。开关626和628受控于控制电路630产生的基本控制信号632和634。控制电路630闭合开关626，断开开关628，以便向转子绕组600提供正向极性电压。断开开关626和闭合开关628向转子绕组600提供反向电压。通过以互补的方式驱动各开关和使占空比在百分之零到100之间变化，可以控制磁场绕组上的平均电压在全额增压和全额减压之间变化，以适应不同速度和负载。

在正向极性模式下，电流从蓄电池流出通过开关626、转子绕组600到中性点608，然后经过各个定子绕组602、604和606以及桥接二极管612、614、618、620和622返回。流经某个定子绕组和桥接二极管的电流，其数值决定于交流发电机的相别，并随交流发电机的旋转而改变。

监测电路636通过将输出电压638和参考电压640相比较来监测输出电压。电压调节器642基本上是先前介绍的基本类型的两态PWM电压调节器。然而，不是利用基本控制信号使桥式电路中各对对角开关导通和关断，而是将基本控制信号仅用于使两个单个的开关626和628导通和截止。

在将基本的两态PWM控制方式用于电压调节器时，因转子绕组的一端与中性点连结，只需使用两个开关，所以电压调节器的成本显著降低。

采用转子绕组与中性点相连接的方式还有另外一个优点，就是在零转速时，交流发电机磁场电流自动变为零。因此当点火被切断时，为了断开交流发电机电流，不必对交流发电机采取禁止驱动措施。电子控制电路消耗的功率可以设计得很小，因此可以继续运行，而不必担心蓄电池放电。这种方式实现了前面介绍的自动联锁功能，当交流发电机开始旋转时自动向调节器供电，当交流发电机停止旋转时，自动停止供电。

控制电路630可以是简单的两态迟滞放大器、具有滞后功能的反相器、靠反馈产生滞后的比较器或运算放大器、标准的脉冲宽度调制器等。中性点连接的转子绕组也可以利用线性驱动方式驱动，以使电流在正向最大值和反向最大值之间平滑变化。

由于转子绕组是旋转的，定子绕组是固定的，因此磁场绕组与中性点及开关电路的连接是按照常规的方式经过滑环来实现的。

上述说明书中提出的发明目的已经完成达到。由于在不脱离本发明构思和范围的情况下，上述结构可以进行某些改变，因此，上述说明书中和附图中包含的所有内容都应被认为是说明性的而不是限制性的。

虽然本发明是以最实际、最可能的实例加以说明描述的，但是，在本发明范围内可能存在许多变种，因此附后的权利要求书对本发明的全部等效物提出权利要求。

因此，根据对本发明的介绍，权利要求如下。

Claims (27)

1．一种复合式交流发电机，包含：

定子(10)，具有定子绕组(16)；

转子(20)，安装在定子(10)内部用于旋转，由一径向气隙与定子隔开，转子包括：

转轴(22)，能够在定子(10)中旋转，该复合式交流发电机的特征在于：

磁场绕组转子部分(24)，安装在转轴(22)上，用于在定子的第一纵向区(12)内部旋转；磁场绕组转子部分具有许多垂直于轴的叠层，转子绕组(28)和多个叠层凸出部分(42)共同产生多个电磁铁磁极，一个电磁铁磁极对应一个凸起部分；各叠层叠装在一起构成一个凸极转子铁芯，转子绕组绕制在转子铁芯的径向凸出部分上，形成多个围绕转子铁芯的线圈，相邻的线圈按反方向绕制，当电流通过转子绕组时，在各相邻的电磁铁磁极中产生交替的北极和南极磁场，以及

永久磁铁转子部分(38)，安装在轴(22)上，纵向上与磁场绕组转子部分(24)相隔开，用于在定子的第二纵向区(14)内部旋转；永久磁铁转子部分具有由一个或多个永久磁铁(40)产生的多个永久磁铁磁极，永久磁铁磁极的数目与在磁场绕组转子部分中的电磁铁磁极的数目相对应。

2．如权利要求1所述的复合式交流发电机，在永久磁极转子部分(38)中有多个永久磁铁，每个永久磁铁对应一个磁极。

3．如权利要求2所述的复合式交流发电机，永久磁铁安装在永久磁铁转子部分的周边，磁化方向相对于轴为径向。

4．如权利要求3所述的复合式交流发电机，其永久磁铁安装在转子叠层周边上形成的开口处，叠层垂直于轴。

5．如权利要求4所述的复合式交流发电机，其中固定永久磁铁的叠层部分还包括多个气流开孔(50)。

6．如权利要求1所述的复合式交流发电机，其永久磁铁转子部分的永久磁铁磁极是由一块多极的永久磁铁(210)形成的，其安装使磁化方向的取向平行于轴。

7．如权利要求6所述的复合式交流发电机，其永久磁铁为一圆盘形，具有多个磁化磁极的永久磁铁(210)。

8．如权利要求7所述的复合式交流发电机，其中永久磁铁转子部分还包括由高磁材料构成的磁通引导元件(218)，其纵向位置邻近圆盘形永久磁铁(210)，以便将磁通引导到在定子(10)和转子(20)之间的气隙处。

9．如权利要求8所述的复合式交流发电机，其中磁通引导元件(218)包含多个由高导磁材料构成的极靴(220)。

10．如权利要求9所述的复合式交流发电机，其中还包括由高导磁材料构成的第二磁通引导元件，第二磁通引导元件的纵向位置也邻近圆盘形永久磁铁，但处在与第一磁通引导元件相反的一侧。

11．如权利要求1所述的复合式交流发电机，其中在永久磁铁转子部分中的永久磁铁磁极是由沿圆周方向绕轴间隔配置的多个永久磁铁(302)形成的，磁化方向的取向相对于轴为圆周方向。

12．如权利要求11所述的复合式交流发电机，其中永久磁铁转子部分还包含由高导磁材料构成的多个磁通引导元件(306)，其在沿圆上的位置介于相邻两永久磁铁之间，以便将磁通由永久磁铁引导到定子和转子之间的气隙处。

13．如权利要求12所述的复合式交流发电机，还包括由非磁性材料构成的护圈(304)，该护圈至少部分地环绕每个永久磁铁以便在转子旋转过程中安全固定永久磁铁，以及将每个永久磁铁与轴隔离。

14．如权利要求1所述的复合式交流发电机，其中定子还包括第二定子绕组，用于产生不同于第一定子绕组的电压。

15．如权利要求1所述的复合式交流发电机，其定子包括：第一定子部分(12)，位于第一纵向区并围绕磁场绕组转子部分配置；第二定子部分(14)，位于第二纵向区并围绕永久磁铁转子部分配置；第一定子部分(12)与第二定子部分(14)由一定子间隙(52)隔开。

16．如权利要求15所述的复合式交流发电机，其定子间隙(52)是一气隙。

17．如权利要求15所述的复合式交流发电机，其定子间隙(52)至少部分地用低导磁率的固体材料填充。

18．如权利要求17所述的复合式交流发电机，其中低导磁率固体材料的横断面形状与第一和第二定子部分的横断面形状相对应。

19．如权利要求1所述的复合式交流发电机，其中定子绕组贯穿定子的第一和第二纵向区，由磁场绕组转子部分和永久磁铁转子部分两者在定子绕组中感应产生复合的电压。

20．如权利要求1所述的复合式交流发电机，其中定子绕组包含第一和第二定子绕组，第一定子绕组仅位于定子的第一纵向区第二定子绕组仅位于定子的第二纵向区。

21．如权利要求1所述的复合式交流发电机，还包含转子激磁电路(80-88)，其连接到磁场绕组转子部分中的转子绕组上，并且适合于在增压模式下产生正向激磁电流通过转子绕组，以便增加交流发电机的输出，以及在减压模式下，将反向激磁电流通过转子绕组以便降低交流发电机的输出。

22．如权利要求21所述的复合式交流发电机，其中转子激磁电路(80-88)产生脉冲形式的正向和反向激磁电流。

23．如权利要求22所述的复合式交流发电机，其中转子激磁电路(80-88)调制脉冲宽度，以便控制正向和反向激磁电流的数值。

24．如权利要求21所述的复合式交流发电机，其中转子激磁电路连接到一监控电路，以监测定子绕组的输出电压，当输出电压低于一预期值时在转子绕组中产生正向激磁电流；当输出电压高于预期值时，在转子绕组中产生反向激磁电流。

25．如权利要求21所述的复合式交流发电机，与一电压变换电路(90)相结合，电压变换电路的输入是由定子绕组电压产生的，输出则小于其输入电压。

26．如权利要求25所述的复合式交流发电机，其中电压变换电路(90)的输入直接连接到定子绕组(16)。

27．如权利要求25所述的复合式交流发电机，其中电压变换电路的输入连接到定子绕组的整流输出电压上。

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