TWI404327B - 永磁發電機之具可組態相位繞組連接之電壓調整器 - Google Patents

Description

永磁發電機之具可組態相位繞組連接之電壓調整器

本發明係關於一種用於具有可變繞組組態類型的永磁發電機之電壓調整器，其通常係使用在電力電性負載之充電電池，其在永磁發電機低轉數和高轉數時都需要足夠的能量，不管電池連接之電性負載所需的電力，都要使電池的電壓保持在固定的額定值。

在電壓永磁發電機的許多應用當中，電壓永磁發電機可設計操作在低轉數和高轉數，例如供應電力到點火電路，及/或供應到用以發動小內燃引擎的電池，用於小船隻的舷外引擎，或在不同轉速時需要有不同電流值之其他使用情形，藉由在發電機本身的電性和機械尺寸的仲裁，而可以滿足如此的需求。通常，這些對大尺寸的電壓永磁發電機為可能的，但是，其需要空間的可利用性，而且在任何的情形下，發電機具有相當大的重量和相當高的成本。此外，關於發電機的預期應用和操作條件，在某種情形下，會發生消耗任何多出的電力之問題。

無論在什麼情形下，由於空間，成本的原因，或不可能使用較大尺寸之電壓發電機的其他原因，為了滿足各種不同的使用需求，及保持稍有限制的發電機之整體尺寸和重量，需要選擇適當的電性解決方案。

亦知，為了掌管電壓永磁發電機的電力，通常需要改變場繞組的匝數，根據是否給予特別期望，依據輸出電流， 和在低或高操作速度下的性能，增加或減少繞組匝數。為此目的，以往使用提供能夠供應高輸出電力之許多繞組的永磁發電機，但是仍保持稍有限制的重量和整體尺寸。

根據上述所提出之解決方案，使用電壓發電機，其場繞組係操作上連接到包含許多藉由微處理器控制之二極體和電子開關之控制電路。微處理器可被程式化，以在低轉數時的“串聯組態”和在高轉數時的“並聯組態”之間，根據旋轉速度的變化，改變相繞組的組態或連接；例如，此種解決方案已被說明在US-A-7,026,794。

一方面，雖然此解決方案對上述問題的解決部分有貢獻，但是在另一方面，其仍然還有限制和缺點，如低效率的單相交流發電機和轉矩規則性的問題，尤其是在低轉數時，由於在轉子的磁鐵和定子的磁結構之間的相互作用之結果，習知的術語稱為“齒槽效應轉矩(Cogging)”。此外，除了需要額外的空間之外，使用藉由處理器控制之電壓調整器對於整個系統還必然需要較高的成本。

因此，需要尋求一種能夠藉由減少(若不能避免)在這些習知的系統中本身固有的問題和缺點，而符合上述要求之新的解決方案。

發明目的

本發明之第一目的係要提供一種電壓調整器，用於具有可組態連接場繞組的永磁發電機，其使用相當簡化的電子零件，及提供避免使用處理器或邏輯控制單元的可能性，因此對於電壓調整器和整個電壓產生系統，可以減少 整體的尺寸，並保持較低成本。

本發明之另一目的係要提供一種電壓永磁發電機和用以充電電池之電壓調整器的組合，於是在發電機係低轉數和高轉數下，其可以供應電池必需的電力，其特徵為很低的轉矩變動，及能夠根據電池充電電壓的變動，和電壓發電機轉數的變動，或是其相位頻率，自動控制場繞組的連接組態。

本發明之再一目的係要提供一種永磁發電機和電壓調整器組合，其能夠自動改變連接場繞組的組態，於是使關於熱散逸的問題成為並不重要的關鍵。

上述之目的可以藉由根據申請專利範圍第1項，具有可組態連接相位繞組的永磁發電機用之電壓調整器達成，及藉由根據申請專利範圍第2項，包含用以控制電池充電電壓的電子控制電路之電壓調整器達成。

一般而言，根據本發明的第一觀點，提供一種電壓調整器，其適合從電壓永磁發電機接收A.C.電源，然後供應D.C.電源到電池，其中電壓永磁發電機包含許多相位繞組各自具有第一和第二連接端，而且其中關於電池的充電電壓和/或相同電壓發電機的頻率，電壓調整器順應改變在第一和第二組態之間的相位繞組之連接；其特徵包含：許多對半橋式整流器，其中各對都包含第一和第二半橋式電路，在永磁發電機個別相位繞組的對應端和電池的 電源供應端之間，成彼此相對的相位連接；用以改變相位繞組的連接組態之控制開關電路，此控制電路包含許多開關裝置，在迴路電路中，各由反並聯方式連接之第一和第二電子開關所組成，且在此迴路電路中，兩個相鄰開關裝置之間的連接係順序連接到個別相位繞組的終端；及用以控制控制電路的開關裝置之引導電路，此引導電路包含連接到開關裝置的控制電極之第一電晶體；及其中第一電晶體操作上分別連接到用以量測電池電壓之第一電壓偵測電路，和電壓發電機繞組的第二相位頻率偵測電路；頻率偵測電路係順應且操作上連接成，關於藉由該偵測電路所偵測之相位頻率和/或電池電壓的預建臨限值，活化引導電路，使可以選擇性改變永磁發電機的場繞組之連接組態。

第1圖和第2圖為根據本發明之電子式電壓調整器的電路圖，其可以自動控制電壓永磁發電機之相位繞組不同的連接組態，用以將A.C.轉換成可以供應到電池之D.C.電源，但是仍然根據發電機的轉數的變動保持該電池的電壓在大致固定的額定值。

為了此說明目的，文中相同的參考數字被用於相同的方塊電路。

在第1圖和第2圖的範例中，電壓調整器係連接到A.C. 電壓永磁發電機1，例如，由永磁鐵型三相交流發電機所構成。電壓發電機1包含轉子2和具有三個相位繞組3A，3B，和3C之定子，繞組間的連接為關於轉子2的轉數和藉由永磁發電機1供電之電池5的充電電壓VB，在星形和三角(delta)形之間自動改變。

電壓調整器包含許多對半橋式整流器4，各具有連接在個別電壓發電機1的相位繞組3A，3B，3C終端，地電位，和電池5的第一電源供應端(例如，正端，如圖所示)，之間的二極體D1，D2。特別地，各相位繞組3A，3B，3C的每一個的終端都藉由第一和第二半橋式整流器4.1和4.2所提供的一對半橋式整流器，成彼此相對的相位連接到電池5的正端，以在相位電壓的正半波和負半波期間交替導通。

每一個相位繞組3A，3B，和3C的兩個終端其中之一了，以下又稱為第一終端，可藉由電子式短路開關順序地連接到地，此開關例如係由閘流體6所構成，用以控制電池5的額定充電電壓，此將進一步說明。

電壓調整器1也還包含控制開關電路，用以改變電壓發電機的相位繞組3A，3B，3C之連接組態；在第1圖的三相發電機之情形下，繞組組態之控制電路包含三個開關裝置8，每一者都有提供兩個反並聯連接之電子式開關，例如，係由閘流體對T1和T2，T3和T4，T5和T6所組成；在兩個相鄰的開關裝置8之共連接點P係順序連接到電壓發電機1的個別相位繞組3A，3B，和3C的第二終端之方 式下，在每一個電路中的開關裝置8都是根據迴路組態彼此相互連接。

電壓調整器還包含用以偵測發電機的相位電壓頻率之相位頻率偵測電路9，及用以控制開關裝置8之引導電路10，詳細如第2圖所示。頻率偵測電路9係連接到電壓發電機1的相位繞組，例如繞組3C；及連接到引導電路10，其係藉由用以當通過相同頻率的預建臨限值偵測電壓頻率之電路9所活化，以在星形組態和三角(delta)形組態之間改變繞組3A，3B，和3C的連接，此將進一步說明。

根據上述，可清楚看出每一個相位繞組3A，3B，和3C的第二終端，該終端並未連接到短路開關6，係連接到兩個開關裝置8，用以改變繞組組態；此意味著T1，T3，和T5的陽極係分別連接T2，T4，和T6的陰極，正如T2，T4，和T6的陽極係連接T1，T3，和T5的陰極。因此，三對電子式開關裝置8係以單對開關裝置8反並聯連接在兩個不同相位繞組的第二終端之間的方式排列。

根據第1圖和第2圖，也可以觀察到每一個開關裝置8的兩個閘流體T1和T2，T3和T4，T5和T6，依據個別的電阻R10.1和R10.2，都具有藉由引導電路10的單一PNP電晶體Q4引導電流之控制電極；根據電壓發電機1所加上的陽極和陰極之間的電壓差，閘流體T1-T6的每一個切換到ON，決定三個相位繞組3A，3B，和3C的星形連接。

兩個閘流體T1，T2;T3，T4；和T5，T6屬於相同的開關裝置8，絕不會同時導通，而是兩者擇一導通。

特別地，如第6圖所示且進一步的說明，當Q4導通時，由用以改變繞組組態之電路的閘流體T1-T6所組成的每一個電子式開關，對於相位電壓的半週期，仍然切換到ON，而單對的開關在每第六個週期改變其狀態。

相反地，若Q4係在鈍化情況下，則開關裝置8的開關T1-T6不再引導並且切換到OFF；因此三個相位繞組3A，3B，3C彼此分隔。但是，因為半橋式整流器4.1，4.2總是連接到地，像電池5一樣，此條件等效於永磁發電機1的相位繞組之三角(delta)形連接。

藉由電壓分壓器R11，R12，引導電路10的電晶體Q4係藉由兩個NPN電晶體Q5和Q6控制，各個分別將集極和射極連接在Q4的基極和電壓調整器的接地之間。若兩個電晶體Q5和Q6其中之一導通，則Q4切換到ON；反之，若電晶體Q5和Q6兩者皆切換到OFF，則Q4也將切換到OFF。

引導電路10的電晶體Q5，將基極連接到電壓分壓器R13，R14，藉由用以偵測電壓發電機的其中之一個之相位的電壓頻率之電路9順序引導電流流通；相反地，另一電晶體Q6係透過連接到用以偵測和量測電池5的充電電壓之電路7之電壓分壓器R22，R23，藉由電路9引導。

電路9在輸入側接收電壓發電機1的其中之任一相位的頻率，例如繞組3C的相位，此繞組3C藉由電壓分壓器R15，R16(第2圖)，使在負半波係被二極體D3保護期間的NPN電晶體Q7，在相同的相位頻率切換。

同樣地，也會使NPN電晶體Q8切換，其基極係被連接在電阻器R17和Q7的集極之間，用以恢復訊號的校正時序。

因此，隨同頻率等效於電壓發電機的相位3C的頻率，從電阻器R18流向電容器C2的電流藉由Q8短路接地，於是在Q8的集極上產生電壓方波，透過電容器C2致能二極體D4和D5，使透過R19由電池電壓供電之電容器C3放電。

只要電阻器19保持在C3上的電壓高於在NPN電晶體Q9的基極和射極之間的電壓Vbe-on，則Q9會導通，而隨同將電壓分壓器R20，R21連接到Q10的基極使Q10切換到ON，然後使Q5進入導通。

此所有的結果就是，電路9可以在電壓發電機的相位頻率之給定的臨限電壓值下，當將會發生在相位繞組3A，3B，和3C之間從星形到三角形連接，或反之亦然的切換超過時，致能或失能Q5而導通。

Q5進入導通或封鎖之臨限頻率可以藉由選擇R19使電容器C3的終端電壓低於Q9的Vbe-on之方式而獲得。

相反地，如上所述，NPN電晶體Q6係藉由用以量測電池5的充電電壓之電路7，透過電阻器R22和R23及稽納二極體Z3被引導。電壓量測電路7包含NPN電晶體Q1，其集極和射極分別藉由電阻器R3連接到電池5，和連接到稽納二極體Z3;Q1的基極也是藉由稽納二極體Z1連接到地之電壓分壓器R1，R2偏壓。

當存在在由電容器C1和電阻器R4所組成的並聯電路(從電池5的電壓之量測電路7分出)上的電壓超過稽納二極體Z3上的電壓值時，電流流過電壓分壓器R22，R23，因此，Q6進入導通，Q4切換到ON。

如上所述，每一個相位繞組3A，3B，3C兩個終端的其中之一個係連接到電子式開關6的陽極，例如陰極連接到地的並聯閘流體，其具有當藉由電路7偵測之電池5的電壓超過預建額定值VN時，使個別的相位繞組短路接地之功能。

當電池5一達到值VR時，發電機的電流就立刻短路。此可以藉由每一個相位繞組的短路開關6完成，短路開關6的控制電極係連接到PNP電晶體Q3的集極，而PNP電晶體Q3的射極則是連接到個別的相位繞組，形成控制電路11的一部分用以控制繞組短路電子式開關6的ON和OFF狀態。

Q3的基極係藉由連接到NPN電晶體Q2的集極/射極電路之電壓分壓器R7，R8偏壓，NPN電晶體Q2的集極連接到地，形成用以活化/鈍化繞組短路控制電路11之主控制電路12的部分。

Q2的基極係藉由稽納二極體Z2，連接到用以偵測和量測電池5的電壓之電路7之電壓分壓器R5，R6偏壓。

因此根據上述，明顯地，只要電池5的電壓VB低於稽納二極體Z1的電壓值，電流就不會流過電壓分壓器R1，R2，因此電晶體Q1仍然保持失能狀態。相反地，若電池5 的電壓VB超過預建值VR，則Q1切換到ON進入導通，藉由電阻器R3，供應比例於電池電壓的集極電流。在並聯電路R4，C4上的電壓將會線性增加，直到其超過稽納二極體Z2的電壓。此種情形一發生，由於電壓分壓器R5，R6，電晶體Q2就立刻被偏壓而導通；在此方式下，個別的電路11之電晶體Q3也變成由分別的電阻器R7和R8偏壓。因此，電流將流過電阻器R9，能夠將分別的短路開關6切換到ON，將會使電壓永磁發電機1的三個相位繞組3A，3B，和3C每一個分別接地。因此，將會造成電池電壓VB限制在絕不會超過額定值VR之值。

當電壓發電機的轉數高於預建臨限值RPM'時，相位繞組3A，3B，和3C的具有三角形組態；當電池5達到額定值時，發電機的電流就立刻切換到地。如上所述，藉由電壓發電機1和藉由短路開關6，如此引起對地較大的功率消耗；因此本質上要將電流減少到最小。為此目的，可以適當選擇Z3的電壓值略小於Z2，典型為0.6伏特，以確保剛在調整電壓之前從三角形組態改變到星形組態，因此可以相當大地減少電流。

第3圖為根據電壓發電機1之轉子2的每分鐘轉數，RPM，之變化，在星形之情形下和三角(delta)形連接之情形下，電池電流I的兩個典型電流圖。特別地，圖式ST為在星形連接之情形下的I電流，而圖式TR為在三角形連接之情形下的I電流。圖中可以觀察到：在低轉數時，電流I低於臨限值RPM'，與星形連接相較，假設當相位繞組係三 角形連接時TR具有較低的值；在轉數高於RPM'時發生相反的情形。

第3圖還圖示關於對應臨限值RPM'之轉數的點P1，其係電壓發電機1供應電池5電能的電流I'，在數量上與相位繞組的連接形式無關；因此，點P1係在三角形和星形連接之間發生改變之時間點，反之亦然。

第4圖為設若轉子2的轉數RPM係低於第3圖的RPM'，關於電池5的電壓VB之時間圖，而第5圖為設若在轉數RPM係高於RPM'，關於電壓VB之時間圖。

特別地，從第4圖可以觀察到：每次當超過標稱的電壓VN時，曲線的梯度實質上到額定值VR的位置固定不變；相反地，從第5圖可以觀察到：每次當超過額定電壓VN時，曲線的梯度就會改變並且減少。

最後，第6圖為程序圖，藉由此圖，允許選擇電壓發電機1的相位繞組3A，3B，和3C為星形和三角形連接的電子式開關T1-T6藉由電壓調整器被引導成為導通(ON)，或封鎖(OFF)。

特別地，從第6圖可以觀察到：對於電壓永磁發電機1的三個相位A，B，和C的每一個之每半週期HP，在每一個用以改變連接組態的開關電路8中，只有閘流體T1-T6的其中之一個為導通(ON)；同時在第6圖也可以注意到：還是在三相發電機之情形下，在每一第六個週期P/6之情形下單對的閘流體T1-T6改變狀態。

下面將簡單說明第1圖和第2圖之電壓調整器的操作 方法。

一般而言，在本發明之各種不同可能的應用中，需要在永磁發電機1的低轉速和高轉速之情形下，有足夠量的電力，或電流，可用以保持電池5在固定的充電電壓VB，而不用考慮其所連接的電性負載需要的電流。

如上所述，發電機1的三個相位繞組3A，3B，和3C的每一個之終端係藉由一對半橋式整流器4.1，4.2連接到電池5的正端，而且藉由電子控制電路11控制的短路開關6可選擇性連接到地。

為了改變相位繞組的連接組態，從星形到三角形，而且反之亦然，如上所述，電壓調整器包含三個開關裝置8，各自由第一和第二閘流體T組成，且將個別陽極和陰極以反並聯彼此相互連接，而且連接到兩個不同的相位繞組的非短路接地端；三個開關裝置8的閘流體T之控制電極係藉由電子電路9和10分別引導，其中電子電路9和10係執行發電機的其中之一相位的電壓頻率之量測，例如相位繞組3.6的頻率，和連接組態的改變。

因為在相位頻率和轉子2的每分鐘轉數(RPM)之間有比例關係，根據每分鐘轉數等效於在電子頻率和轉子的極耦數之間的比率(常數)，相位頻率的量測結果將對應永磁發電機1的轉數(RPM)的量測。

正如上面參考第3圖所指出的，還可以知道電壓永磁發電機在低轉數下，若相位繞組為星形連接，則相較於三角形連接，供應到電池5的電流I比較大；在高轉數時發 生相反的情形。

因此，當轉子2開始一轉動，電子量測電路9和控制電路10使三個開關裝置8進入導通，而發生相位繞組3A，3B，和3C的星形連接。此操作程序一直保持不變，直到發電機1達到轉數的預定值，此預定值稱為臨限值RPM'，其係對應第3圖的點P1，其中在該點藉由發電機供應的電流I'值，與相位繞組的星形或三角形連接無關。

在這些條件下，用以量測轉速和控制開關裝置8之電路9，10不再引導閘流體T，其中它們的電流一降到零，就立刻切換到OFF；因此相位繞組就轉成三角形連接，而且根據轉數RPM的增加一直保持不變，以滿足更大的電力需求。

但是，在相位繞組的這些連接模式下，一旦超過電池額定值VR，用以將相位繞組短路接地之開關6就立刻被活化；此外，為了減少在發電機相位繞組及開關裝置8流動的電流，當相位繞組係三角形連接時，短路開關6並不進入導通，但只在控制電路10已迫使星形連接之後導通。

因此，也是在電壓發電機的高轉數之情形下，接近電池電壓的額定值VR，可以適當減少到地的短路電流，回到星形連接，並且之後立即活化短路開關6。

根據附圖之說明和顯示，顯然地，本發明已提供一種用於永磁發電機之電壓調整器，其中繞組連接可以在兩種不同的條件下選擇性地組態，以供應保持充電電池之電壓VB固定不變所需要之最大電流，而不用管電源的要求，於 是可以根據達到電池調整電壓VR，防止過度之電流在電壓發電機1的相位繞組和為了改變連接組態之開關裝置8內流動。

此處應該明瞭，參考各種不同之圖示所作的說明，係為了說明本發明和優選實施例的一般特徵。因此，其他的修正例或變化例，例如將類似的或等效的電壓調整器應用到任何多相位永磁發電機，都將不脫離本發明之申請專利範圍。

1‧‧‧永磁發電機

2‧‧‧轉子

3A, 3B, 3C‧‧‧相位繞組

4.1‧‧‧第一半橋式整流器

4.2‧‧‧第二半橋式整流器

5‧‧‧電池

6‧‧‧短路開關

7‧‧‧電池電壓量測電路

8‧‧‧繞組組態開關裝置

9‧‧‧頻率偵測電路

10‧‧‧引導電路

11‧‧‧短路控制電路

12‧‧‧主控制電路

本發明之電壓調整器的這些和其他的特徵及其優選實施例，根據下面參考附圖之詳細說明將會更清楚，其中：第1圖顯示電壓調整器的電子電路圖；第2圖顯示用以控制用以改變相位繞組的連接組態之開關電路的相位頻率偵測電路和引導電路的詳細電路圖；第3圖顯示關於電壓發電機的轉數，對於相位繞組的星形和三角(delta)形連接方式，每一個半橋式整流器的電流圖；第4圖顯示關於時間，當發電機的轉數低於電壓頻率的臨限值時之電池電壓圖；第5圖顯示關於時間，當發電機的轉數高於電壓頻率的臨限值時之電池電壓圖；及第6圖顯示改變相位繞組的連接組態之電路的電子開關之開-關程序圖。

1‧‧‧永磁發電機

2‧‧‧轉子

3A, 3B, 3C‧‧‧相位繞組

4.1‧‧‧第一半橋式整流器

4.2‧‧‧第二半橋式整流器

5‧‧‧電池

6‧‧‧短路開關

7‧‧‧電池電壓量測電路

8‧‧‧繞組組態開關裝置

9‧‧‧頻率偵測電路

10‧‧‧引導電路

11‧‧‧短路控制電路

12‧‧‧主控制電路

Claims (8)

1. 一種電壓調整器，其適合於將電壓永磁發電機(1)的A.C.電源改變成供應到電池(5)之D.C.電源，其中該電壓永磁發電機(1)包含轉子(2)和許多相位繞組(3A，3B，3C)，該等相位繞組之每一者具有第一和第二連接端，以及其中使該電壓調整器順應關於該電池(5)的額定電壓(VR)和該永磁發電機(1)的電壓頻率以改變在第一和第二組態之間該等相位繞組(3A，3B，3C)之連接；其特徵包含：第一和第二半橋式整流器(4.1；4.2)，其中以相位彼此相對，連接在該永磁發電機(1)個別相位繞組(3A，3B，3C)的對應端和該電池(5)之間；繞組組態控制電路，用以改變該等相位繞組(3A，3B，3C)的連接，該繞組組態電路包含許多開關裝置(8)，該等開關裝置之每一者在迴路電路中以反並聯連接之第一和第二電子開關(T1，T2)所組成，其中在兩個相鄰開關裝置(8)之間的連接點(P)係依序連接到個別相位繞組(3A，3B，3C)的一個終端；引導電路(10)，用於該繞組組態電路，該引導電路(10)係連接到該等開關裝置(8)之該第一和第二電子開關(T1，T2)的控制電極，該引導電路係操作上分別連接到 該電池的電壓量測電路以及一相位頻率偵測電路；使該相位頻率偵測電路係順應以活化該引導電路(10)，及在藉由該頻率偵測電路(9)所偵測之電壓頻率的預定臨限值下，選擇性地改變該等繞組(3A，3B，3C)之連接組態。
2. 如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中包含：電子短路開關(6)，其設在各相位繞組(3A，3B，3C)和該電壓調整器的地之間；短路控制電路(11)，其各自連接到個別短路開關(6)之控制電極；及主控制電路(12)，其操作上連接在該短路控制電路(11)和該電壓量測電路之間，用以當超過電池電壓的額定值時，將該永磁發電機(1)的繞組(3A，3B，3C)短路以接地。
3. 如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其適用於具有第一、第二和第三相位繞組(3A，3B，3C)之電壓永磁發電機(1)，其中該等開關裝置(8)係彼此相互連接，而且連接到該等相位繞組(3A，3B，3C)以在相同的相位繞組(3A，3B，3C)之星形和三角形組態之間改變。
4. 如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中相位繞組(3A，3B，3C)的第一終端係藉由個別短路開關(6)連接接地，及各相位繞組(3A，3B，3C)的另一終端係連接到該等開關裝置(8)之間的連接點(P)。
5. 如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中該引導電路 (10)操作上連接到該永磁發電機(1)的電壓頻率偵測電路。
6. 如申請專利範圍第1項之電壓調整器，其中各開關裝置(8)由反並聯連接之第一和第二閘流體(T)組成。
7. 如申請專利範圍第2項之電壓調整器，其中該主控制電路(12)和該引導電路(10)係藉由個別的稽納二極體(22；23)連接到該電壓量測電路(7)。
8. 如申請專利範圍第7項之電壓調整器，其中該引導電路(10)的稽納二極體(23)之電壓值小於該主控制電路(12)的稽納二極體(22)之電壓值。