專利名稱：適應(yīng)轉(zhuǎn)速大范圍變化的分點全壓發(fā)電技術(shù)的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種發(fā)電機制造技術(shù)，具體地說是一種適應(yīng)轉(zhuǎn)速大范圍變化的分點全壓發(fā)電技術(shù)。
背景技術(shù)：
利用現(xiàn)有技術(shù)制造的發(fā)電機，其定子繞組是由絕緣導線在定子鐵芯內(nèi)繞制成的多個線圈元件所組成，而每個線圈元件(以下簡稱為“元件”)一般是由單股絕緣導線在相同定子線槽內(nèi)圈繞若干匝后制成，當然還有采用多股導線并繞技術(shù)制成的元件。在現(xiàn)有發(fā)電機中，各元件之間按照不同發(fā)電機的使用要求或者是某一固定規(guī)律進行接線并產(chǎn)生一組接線端子。在理想條件下，如果負載恒定時，在接線端子處測量得到的輸出電壓與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速符合線性關(guān)系。也就是說轉(zhuǎn)速的任何波動，都會直接造成輸出電壓的波動。因此，在需要電壓恒定的工作場合，往往需要進行動力源轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，或是對發(fā)電機輸出電壓通過穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓，也可經(jīng)由DC/DC變換器進行動態(tài)調(diào)整。在沒有任何穩(wěn)壓措施的條件下，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低一半，則發(fā)電機的輸出電壓值也會降低一半。而轉(zhuǎn)速如果再行降低的話，則對于現(xiàn)有的各種發(fā)電機或是已知的各種穩(wěn)壓技術(shù)來說，就已經(jīng)不能夠再向用電系統(tǒng)提供保證正常工作的電壓了。因為如此大范圍的電壓變化，已經(jīng)遠遠超出了目前現(xiàn)有的各種調(diào)壓技術(shù)的適用范圍了。而在風力發(fā)電或是電動汽車的剎車能量回饋系統(tǒng)等場合，這種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大范圍變化，是隨時都可能發(fā)生的。因此，如何成倍地擴大發(fā)電機轉(zhuǎn)速的有效范圍，提高發(fā)電機的電壓利用率，是電機行業(yè)長期未能得到解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種適應(yīng)轉(zhuǎn)速大范圍變化的分點全壓發(fā)電技術(shù)，以使發(fā)電機在大轉(zhuǎn)速變化情況下，仍可提供有效的工作電壓。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的該技術(shù)是將構(gòu)成發(fā)電機定子繞組中的線圈元件或者是將構(gòu)成線圈元件的子元件分離成為2N個(N≥1)電氣結(jié)構(gòu)相同的部分，每部分引出獨立的接線端子組，在每相鄰兩部分的接線端子之間，接有可使兩部分實現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)連接、且同名端電流方向一致的電控開關(guān)陣列。
本發(fā)明的基本思想是當一臺發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速確定之后，一個線圈元件(或是一相定子繞組)的最高空載輸出電壓也就隨之確定了(有負載的情況類同)。此時可以將該線圈元件產(chǎn)生的最高電壓稱之為“全壓”。那么，當轉(zhuǎn)速降至一半時，如前所述，在一個元件上就只能產(chǎn)生相對于全壓一半的電壓，這里稱之為“半壓”。那么，從全壓到半壓的轉(zhuǎn)速區(qū)間，就可以認為是該發(fā)電機的電壓有效區(qū)間。而此時如果能將兩個產(chǎn)生半壓的線圈元件串聯(lián)起來使用，則在該兩元件串聯(lián)后所等效的線圈元件上就又可以產(chǎn)生一個新的“全壓”了。也就是說，通過動態(tài)改變線圈元件之間的串并聯(lián)關(guān)系，形成新的等效線圈元件，發(fā)電機在新的(低)轉(zhuǎn)速點上就仍有可能輸出一個新的“全壓”。
基于這種思想，本發(fā)明提出了一種全新的線圈元件繞制與連接方式。這就是將發(fā)電機定子繞組中的每個線圈元件分解成為偶數(shù)個分立的子元件，每個子元件具有完全相同的物理和電氣結(jié)構(gòu)，但在電路上是相互獨立的，并且可以按照一定的規(guī)律進行動態(tài)串、并聯(lián)，以形成可以產(chǎn)生一個新的“全壓”的等效線圈元件。在線圈元件的串、并聯(lián)轉(zhuǎn)化過程中，各個子元件同名端的電流方向應(yīng)保證一致，并且子元件的這種串、并聯(lián)的動態(tài)變化，是設(shè)定在所產(chǎn)生電壓降至半壓(或某個設(shè)定比例值)的時刻點。這樣，在該半壓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速點上，就又可重新獲得一個全壓。待轉(zhuǎn)速及電壓再下降至下一個新半壓點時，再進行一次子元件的串、并聯(lián)改變，使等效的線圈元件上再產(chǎn)生一個新的全壓……由此就將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速分成了若干個轉(zhuǎn)速段，在每個轉(zhuǎn)速段內(nèi)都會有一個段內(nèi)的“全壓點”，并使發(fā)電機直接輸出的電壓變化范圍，局限在全壓與半壓之間。具體來說就是當發(fā)電機全速運行時，各線圈元件中的所有子元件并聯(lián)連接，此時的輸出電壓為全壓；當轉(zhuǎn)速降至相當于全壓轉(zhuǎn)速的一半或某個設(shè)定的比例值時，及時改變子元件的串、并聯(lián)方式，即可實現(xiàn)“電壓倍增”，使其在新的轉(zhuǎn)速點上又有一個全壓輸出。從而使發(fā)電機在這些較低的轉(zhuǎn)速段內(nèi)，仍可發(fā)出相對較高的電壓，直至轉(zhuǎn)速降到下一個切換點。當轉(zhuǎn)速降至最低轉(zhuǎn)速段時，各線圈元件中的子元件全部串聯(lián)連接，以得到可能輸出的最高電壓。
采用本發(fā)明技術(shù)之后，可以使得整個發(fā)電機系統(tǒng)處在一個很寬的轉(zhuǎn)速有效區(qū)間內(nèi)，其直接發(fā)電的電壓范圍僅在全壓與半壓(或設(shè)定比例值)之間波動。由此提高了發(fā)電機的電壓利用率，使發(fā)電機在額定的最高轉(zhuǎn)速以下的大范圍變化波動中，均可輸出電壓基本均衡的電力，從而滿足了用戶的使用需要。
對于由數(shù)個線圈元件串聯(lián)連接組成定子繞組的發(fā)電機，將繞組對應(yīng)于前述的“線圈元件”，而將線圈元件對應(yīng)于前述的“子元件”，并采用前述的“子元件動態(tài)串、并聯(lián)”的方式，也可發(fā)電機實現(xiàn)相同的分點全壓的發(fā)電方式。


圖1是一個繞組采用四元件連接結(jié)構(gòu)的發(fā)電機，在理想狀態(tài)下的電勢、轉(zhuǎn)速波動圖。
圖2是一個線圈元件采用六個子元件結(jié)構(gòu)的基本連接方式的電原理圖。
圖3是六個子元件的四種串并聯(lián)連接方式的等效電路圖。
圖4是一個線圈元件采用六個子元件結(jié)構(gòu)的發(fā)電機電勢、轉(zhuǎn)速波動圖。
具體實施例方式
實施例1將發(fā)電機中每相定子繞組中的線圈元件分成在物理結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)上完全相同的四個部分，每部分引出一組獨立的接線端子。在每相鄰兩部分的接線端子之間接有電控開關(guān)陣列，通過開關(guān)陣列中各開關(guān)不同的通、斷變化，可使四部分的線圈元件之間實現(xiàn)不同的串、并聯(lián)連接，并且使同名端的電流方向保持一致。
當發(fā)電機全速運行時，每相定子繞組中的四部分線圈元件是以并聯(lián)方式連接，此時輸出為全壓。當轉(zhuǎn)速降低一半時，這四部分線圈元件通過電控開關(guān)陣列的通斷變化控制，以兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)的方式連接，此時發(fā)電機又可重新輸出全壓。當轉(zhuǎn)速降至原全速的1/4速(即新轉(zhuǎn)速段內(nèi)的半速)時，這四部分線圈元件又通過電控開關(guān)陣列的通斷變化控制，以全部串聯(lián)的方式連接，則此時的發(fā)電機又再次重新輸出全壓。在每次連接關(guān)系發(fā)生變化時，各部分同名端的電流方向均保持一致。
在假設(shè)發(fā)電機最低有效電壓為全壓的一半的條件下，由圖1可見，發(fā)電機共有I、II、III三個有效區(qū)段。其中I區(qū)為全速的有效區(qū)段，II區(qū)為半速的有效區(qū)段，III區(qū)為1/4速的有效區(qū)段。此時發(fā)電機的電壓有效區(qū)間就從傳統(tǒng)方式中的1/2，擴大到了1/2+1/4+1/8＝7/8。因此，發(fā)電機的電壓利用率大大提高。
在這種發(fā)電機中，可以得到三種基本的電壓輸出形式一是在低轉(zhuǎn)速下，采用元件全并聯(lián)方式，可以得到低電壓、較大電流的輸出；二是在低轉(zhuǎn)速下，采用元件全串聯(lián)方式，可以得到高電壓、較小電流的輸出；三是在高轉(zhuǎn)速下，采用元件全并聯(lián)方式，可以得到高電壓、大電流的輸出。
雖然理論上在高轉(zhuǎn)速下采用元件全串聯(lián)方式，可以得到更高的電壓輸出，但考慮到相關(guān)器件的耐受性和元件本身的絕緣能力等因素，其實際應(yīng)用意義不大，這里不再述及。
實施例2將發(fā)電機定子繞組中的每個線圈元件分成六個分立的子元件部分。每個元件中的子元件位于相同的定子線槽，具有相同的電氣結(jié)構(gòu)和獨立的接線端子組。在每相鄰的兩個子元件的接線端子之間接有電控開關(guān)陣列。電控開關(guān)陣列為由計算機程序控制的五個開關(guān)，各開關(guān)分別位于“工”字連接線上的兩個節(jié)點之間以及每個節(jié)點與線端之間。如圖2所示，Y1-Y6為一個線圈元件中的六個分立的子元件，占用相同的定子線槽，有獨立的接線端子組，電氣結(jié)構(gòu)完全相同。在子元件Y1與Y2之間接有由計算機程序控制的五個開關(guān)1-5，組成了一個電控開關(guān)陣列。同理，開關(guān)6-10是子元件Y2與Y3之間的電控開關(guān)陣列；其余類推，至開關(guān)21-25為子元件Y5與Y6之間的電控開關(guān)陣列。開關(guān)1-25的通斷狀態(tài)全部由預(yù)先設(shè)定的程序決定，各子元件之間不同的串并聯(lián)方式則完全取決于相應(yīng)開關(guān)的通斷狀態(tài)。這里可分為單組6串聯(lián)、2并3串聯(lián)、3并2串聯(lián)和單組6并聯(lián)這四種連接方式。實現(xiàn)這四種連接方式的各開關(guān)通斷關(guān)系如下表所示 注表中“√”所對應(yīng)的開關(guān)為導通狀態(tài)。
根據(jù)上表和圖2所示的電原理圖，即可導出上述四種元件連接方式的等效電路，即圖3中的a為單組6串聯(lián)，b為2并3串聯(lián)，c為3并2串聯(lián)，d為單組6并聯(lián)。無論連接方式如何變化，均保證了六個子元件的同名端電流方向一致。
由圖4可見，使用本發(fā)明所形成的整個全壓—半壓的四個有效區(qū)間非常寬闊，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，從1/12速直至全速。
權(quán)利要求
1.一種適應(yīng)轉(zhuǎn)速大范圍變化的分點全壓發(fā)電技術(shù)，其特征在于該技術(shù)是將構(gòu)成發(fā)電機定子繞組中的線圈元件或者是將構(gòu)成線圈元件的子元件分離成為2N個(N≥1)電氣結(jié)構(gòu)相同的部分，每部分引出獨立的接線端子組，在每相鄰兩部分的接線端子之間接有可使兩部分實現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)連接、且同名端電流方向一致的電控開關(guān)陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)轉(zhuǎn)速大范圍變化的分點全壓發(fā)電技術(shù)，其特征在于所述的電控開關(guān)陣列為由計算機程序控制的五個開關(guān)，各開關(guān)分別位于“工”字形連接線上的兩個節(jié)點之間以及每個節(jié)點與線端之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適應(yīng)轉(zhuǎn)速大范圍變化的分點全壓發(fā)電技術(shù)，目的是為解決現(xiàn)有發(fā)電機的輸出電壓有效區(qū)間窄和電壓利用率低的問題。該技術(shù)是將構(gòu)成發(fā)電機定子繞組中的線圈元件或者是將構(gòu)成線圈元件的子元件分離成為偶數(shù)個電氣結(jié)構(gòu)相同的部分，每部分引出獨立的接線端子組，在每相鄰兩部分的接線端子之間，接有可使兩部分實現(xiàn)串聯(lián)或者并聯(lián)連接、且同名端電流方向一致的電控開關(guān)陣列。采用本發(fā)明，可使發(fā)電機輸出電壓在一定的波動范圍內(nèi)，對應(yīng)著一個很大的轉(zhuǎn)速有效區(qū)間。由此提高了發(fā)電機的電壓利用率，滿足了用戶在轉(zhuǎn)速大范圍波動時的使用需要。
文檔編號H02K19/34GK1523733SQ0314320
公開日2004年8月25日 申請日期2003年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月25日
發(fā)明者原澤, 原亮, 原 澤 申請人:原澤, 原 澤