[发明专利]紧凑的大功率交流发电机

说明书

本发明是2007年2月22日提出的、名称为“紧凑的大功率交流发电机”的发明专利申请No.200780013577.4的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请要求由Charles Y.Lafontaine等于2006年2月22日提交的美国临时申请no.60/775,904的优先权，还要求2006年2月2日提交的美国专利申请no.11/347,777的优先权，并且是该美国专利申请的继续申请，该美国专利申请要求美国临时申请no.60/649,720的优先权，在此为了所有目的将所有上述专利申请全文引入作为参考。

技术领域

本发明涉及用于在机械能和电能之间转换的机械的电压和电流控制系统，例如无刷交流发电机，尤其涉及一种用于紧凑的大功率永磁交流发电机的控制系统，例如适合于车用的紧凑的大功率永磁交流发电机。

背景技术

交流发电机一般包括转子，该转子安装在旋转轴上，并布置成与静止的定子同心。转子通常布置在定子内。然而可替代地，定子可以同心地布置在转子内。外部能源，如电动机或涡轮机，通常直接地或者通过中间系统如传动带驱动旋转元件。定子和转子都具有一系列磁极。转子或定子产生磁场，该磁场与另一结构的磁极上的绕组相互作用。当磁场切割绕组时产生电场，该电场被提供给合适的负载。感应的电场(其一般称为电压源)通常可应用于整流器，有时可被调节，并作为直流输出电源。感应的电流一般可应用于整流器，有时可被调节，并作为直流输出电源。在一些情况中，将调节的直流输出信号施加给直流-交流逆变器，以提供交流输出。

传统上，机动车辆中采用的交流发电机通常包括：安装在发动机外部上的壳；布置在壳内的具有三相绕组的定子；在定子内可旋转地支撑壳内的皮带驱动的爪极式(例如Lundell)转子。然而，为了增大功率输出，必须显著地增大传统交流发电机的尺寸。因此，车辆内的空间限制容易使这种交流发电机难以在高输出(如5KW)应用中使用，例如为了给空调设备、制冷设备或通讯设备提供电力。

此外，承载绕组的爪极式转子相对较重(通常占交流发电机全部重量的多达四分之三)，并产生很大的惯性。实际上，每当发动机加速时这种惯性都会给发动机造成负载。这容易降低发动机的效率，导致额外的燃料消耗。此外，这种惯性在诸如电动车或混合动力车辆的应用中存在问题。混合动力车辆利用汽油发动机来以高于预定阀值如30Kph(通常相应于汽油发动机的效率最高的RPM范围)的速度推进车辆。类似地，在所谓的“轻度混合动力车辆”中，利用起动器-发电机来在驾驶员压下油门踏板时提供推进力的初始爆发，从而当车辆在交通中停止时便于关闭车辆发动机，以节省燃料并削减排放。这种轻度混合动力系统通常是预期使用高电压(例如42伏特)的电力系统。这种系统中的交流发电机必须能使电池再充电到足够的水平，以便驱动起动器-发电机，从而在连续的停止之间特别是在停停走走的交通中提供推进力的初始爆发。因而，需要相对大功率的低惯性的交流发电机。

一般地，需要额外的电功率来给车辆中的控制和驱动系统、空调和电器提供电力。对于用于娱乐的、工业运输应用如冷藏、建筑应用以及军事应用的车辆来说特别是这样。

例如，机动车辆领域中的趋势是利用智能的电控制和驱动系统，而不是利用机械的或液压控制和驱动系统，来减小车辆发动机上的动力负载和增大燃料经济性。这种系统例如可以与转向伺服机构(其通常仅在需要转向纠正时才起作用)、减震器(使用反馈来调节减震器对道路和速度状况的刚度)以及空调(以保持恒定温度所需的最小速度运行压缩机)相结合地使用。这种电控制和驱动系统的使用容易增大对车辆的电力系统的要求。

类似地，期望的是移动式制冷系统通过电力驱动。例如，以可变的速度(与车辆发动机的每分钟转数无关)驱动制冷系统可提高效率。此外，利用电驱动的系统，连接各个元件的软管可以用类似于家用冰箱或空调器的电驱动密封系统来代替，所述各个元件例如是压缩机(在发动机上)、冷凝器(布置成暴露在空气中)以及蒸发单元(布置在冷藏室中)。因此，期望的是在这样的应用中的车辆电力系统应该能够为电力驱动的单元提供必需的电力水平。

还特别需要一种“可移除和更换”的大功率交流发电机，以便改造现有的车辆。通常，在车辆的发动机机舱内只有有限的空间来容纳交流发电机。除非更换的交流发电机适合于在该可利用的空间内，否则，如果可能的安装非常复杂，通常需要移除一些主要部件如散热器、保险杠等等以及安装额外的支架、传动带和硬件。因此，期望的是更换的交流发电机适合于在所提供的原始空间内，并与原始硬件接口。