專利名稱：具有阻抗匹配原動機輸出能力以便以最大效率工作的發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種原動機驅動的發(fā)電機，特別是，涉及一種具有內(nèi)部阻抗的新型發(fā)電機，其阻抗選擇用以在整個原動機速度范圍內(nèi)匹配原動機輸出驅動能力，以便獲得最大效率和最小輻射。
眾所周知，為驅動發(fā)電機，采用與發(fā)電機轉軸連接的原動機。典型地，響應于發(fā)電機中勵磁線圈的激勵提供發(fā)電機的電輸出；勵磁線圈本身和各勵磁電子元件既貴并且是不期望的。再有，勵磁線圈的使用經(jīng)常會使發(fā)電機在較低效率下工作。這通常是所不期望的。尤其是，當原動機與發(fā)電機一起裝在電動車輛中時，其中車輪是通過電動機直接或間接地接收發(fā)電機所提供的動力來驅動的，效率的增大將不僅改進燃料的消耗，而且還會導致污染和其他不期望特性的減小。
因此，人們希望提供一種永磁發(fā)電機，其無勵磁線圈和勵磁裝置，使該發(fā)電機可直接通過原動機以最大效率進行驅動。
根據(jù)本發(fā)明，原動機具有輸出軸，其在ω速度下的轉動可確定輸出功率函數(shù)，該函數(shù)在每個ω數(shù)值下具有輸出功率/ω斜率Md，并且其可耦合到發(fā)電機上，以便響應于輸出軸的轉動而產(chǎn)生電力，然后選擇發(fā)電機的電氣阻抗，使發(fā)電機具有的輸出功率/ω斜率Mg近似于Md斜率，以便增大效率。
在現(xiàn)有優(yōu)選實施例中，發(fā)電機斜率是在原動機斜率的兩倍以內(nèi)。正如在混合電動車輛中所使用的，其中電功車輛具有原動機柴油發(fā)動機，其在0.15hp/rev.數(shù)量級下具有的運行曲線斜率Mg，可選擇動機阻抗Z，以便使產(chǎn)生的運行曲線斜率Mg在約0.075hp/rev.與約0.3hp/rev.之間。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種發(fā)動機驅動的發(fā)電機，其可選擇一定阻抗用以使發(fā)電機的運行特性匹配于驅動發(fā)動機特性，并由此增大效率。
在結合附圖來閱讀時，對于本技術領域的普通專業(yè)人員來說，將使本發(fā)明的這些和其他目的更加清楚，其中類似的元件采用類似的參考標記表示。
附圖的簡要說明。


圖1是發(fā)動機驅動的發(fā)電機并且其上一般加載的示意方框圖，正如在混合式電動車輛等中所看到的；圖2是一組坐標曲線，其表示由發(fā)動機驅動的、阻抗匹配的本發(fā)明發(fā)電機所提供的電壓和電流；圖3是本發(fā)明新型匹配發(fā)電機的Thevnin等效電路；圖4是一曲線圖，其表示特定柴油發(fā)動機的最大和凈功率曲線；現(xiàn)有技術的不匹配發(fā)電機的工作曲線；和根據(jù)本發(fā)明的一組新型匹配發(fā)電機的工作曲線；和圖5是一曲線圖，其表示用于一種特定工作情況的電壓-電流運行曲線組、和恒定負載-電力曲線，其表示出這樣的工作方式，其中根據(jù)本發(fā)明的原理可以使原動機-發(fā)電機效率達到最大。
優(yōu)選實施例的詳細描述。
首先參見圖1，系統(tǒng)10，如用于混合電動車輛等的動力系統(tǒng)，使用發(fā)動機11作為原動機。燃料源12連接于發(fā)動機的燃料輸入端11a，其中燃料在發(fā)動機中燃燒使輸出軸11s以一定轉動速度或頻率ω轉動。發(fā)動機油11s的轉動速度ω可設置成響應于由發(fā)動機/負載控制器裝置14輸出14b而在發(fā)動機控制輸入端11b上所提供的信號。裝置14具有至少一個輸入/輸出口14a，其連接用以在電氣布線總線16上接收或傳遞來自發(fā)電機負載裝置18的電信號，其負載裝置18可含有傳感器進行轉換，并且類似的轉換器和或操縱器可連接于至少一個端部操縱裝置上，如在混合電動車輛等中的輪驅動電動機。
發(fā)動機軸11s可直接地連接于發(fā)電機裝置20的轉軸20s上，用以在發(fā)電機輸出端20a和20b之間產(chǎn)生AC輸出電壓Vg，以便連接負載18。通常，發(fā)電機20為勵磁型的，在發(fā)電機內(nèi)具有勵磁線圈20f(以虛線表示)，其連接于勵磁裝置22的勵磁輸出端22f上。裝置22將典型地具有輸入端22a/22b，其連接于發(fā)電機的輸出端上，用以監(jiān)視其AC電壓。并且還具有控制輸入口22c，用以接收指令、其他檢測參數(shù)等信號，使得可以采用公知方法，將所有輸入信號用于發(fā)電技術，以便通過腔制勵磁線圈20f的勵磁信號特性來設置發(fā)電機電壓Vg。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，發(fā)電機20為永磁型的，完全沒有勵磁線圈20f，并且系統(tǒng)10同樣地完全沒有任可形式的勵磁裝置22、和與該勵磁裝置有關的任可特定傳感器、起動器和電連接。
一種典型的發(fā)電機負載18，如在混合電動車輛等中所看到的，可包括全波整流器(FWR)裝置24，用以通過發(fā)電機端子20a和20b接收AC電壓Vg，以便整流成加于蓄電池26兩端的脈動DC電壓V′。受控開關裝置28可與可變負載30如DC電動機等串聯(lián)連接于電池裝置26的兩端。由此，使裝置28和裝置30的串聯(lián)組合與電池裝置26并聯(lián)連接，并且連接在FWR裝置24輸出端的兩端。在受控開關裝置輸入端28a上的電位響應于輸入端28c上的控制信號狀態(tài)而選擇地連接于其輸出端28b(以及負載30)上，其中信號典型地可通過總線16等而提供。
現(xiàn)參見圖2，發(fā)電機電壓Vg總是具有一定峰值的雙極性AC電壓20w(其將具有的發(fā)電機開路電壓最大值為Voc，并且由于流過發(fā)電機串聯(lián)阻抗Z的發(fā)電機電流而引起的電壓降，將典型地使其有所降低)。在裝置24的輸出電壓V′中，負極性半周20n(以虛線表示)通過全波整流處理而反向，因此單一極性電壓V′只具有正極性半周20p。當對裝置24的整流器二極管施加反向偏壓時，電流I′不流動，其會出現(xiàn)在電壓V′瞬時大小小于FWR裝置輸出端兩端所連接的電池裝置26的電壓Vb的任何時候。然而，當電壓V′瞬時地大于電池電壓Vb時，F(xiàn)WR裝置24的二極管就會變?yōu)檎蚱珘海⑶译娏鱅′的脈沖32就會以一定峰值Ip流動，如圖2中下面的波形中所示。如果開關裝置28不導通的話，所有電流I′會使電池26充電和再充電；而如果開關裝置28導通的話，電流會流過裝置24或電池26或其二者，通過裝置28并流入負載30。
永磁發(fā)電機(PMG)裝置20具有Thevenin等效電路，如圖3所示，其具有串聯(lián)連接于發(fā)電機端子20a和20b之間的帶有數(shù)值Voc的正弦源20y(其是發(fā)電機輸入軸20s轉動速度ω的函數(shù))，其具有由串聯(lián)電阻20r和串聯(lián)電抗20x組成的發(fā)電機阻抗。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，發(fā)電機阻抗20z的數(shù)值Z可加以選擇以設置特定的工作斜率Mg，其可相對于軸速S(每分鐘轉數(shù))功率P(馬力)的變化而加以確定，并且期望匹配于發(fā)動機P/S曲線的斜率Md，正如下面將要詳細討論的。斜率Mg可通過控制電阻部分的大小R和/或電抗部分的大小X來設置。
現(xiàn)參見圖4，曲線40具有沿橫坐標41所繪以每分鐘轉數(shù)(rmp)為單位的發(fā)動機11的轉動速度S，和沿縱坐標42所繪以馬力為單位的發(fā)動機功率輸出P。對于具有最大功率Pmax曲線44并公知連接于發(fā)動機和其軸負載之間的特定柴油發(fā)動機11來說，可獲得凈功率Pnet曲線44′。曲線44′極其靠近曲線44；對于該特定發(fā)動機來說，功率與速度曲線44具有大約(240-60)hp/(2000-800)rmp=0.15hp/rmp的斜率Md。發(fā)電機20具有工作電壓曲線46，其可通過其輸出電壓Vg來確定，當進行整流時，其本身可等于電池電壓Vb；由此，對于下限電池電壓(這里，約為450Vdc)，發(fā)電機具有軸20s的輸出功率與速度s的第一工作曲線46a，并且對于較大數(shù)值Vb(這里，分別約為500、540、580和620Vdc)，分別具有其他工作曲線46b、46c、46d和46e。
根據(jù)本發(fā)明，發(fā)電機阻抗Z可進行選擇，以產(chǎn)生發(fā)電機工作曲線46，其具有接近于發(fā)動機工作斜率Md的斜率Mg。典型地，對于任何速度S的發(fā)電機曲線46斜率Mg在不大于兩倍的相同速度下將與發(fā)動機曲線44斜率Md有關，即最小發(fā)電機工作曲線斜率Mgmin近似為Md/2和最大發(fā)電機工作曲線斜率Mdmax近似為2Md。舉個例子，對于具有Md為0.15的發(fā)動機來說，最小發(fā)電機曲線46斜率將為約0.075(即在曲線45a的上端)，并且最大發(fā)電機斜率Mg將為約0.3(即在曲線46e的下端)。在迄今公知的發(fā)動機-發(fā)電機組合中，傳統(tǒng)的發(fā)電機工作曲線48具有約0.4馬力/轉的典型斜率Mold。人們將會看到，根據(jù)本發(fā)明，匹配的發(fā)動機-發(fā)電機對將具有小于傳統(tǒng)發(fā)電機工作斜率的工作曲線斜率，并且典型地小于傳統(tǒng)發(fā)電機斜率的兩倍或三倍。
對于240峰值馬力柴油發(fā)動機和永磁發(fā)電機20的一種特定組合來說，其在約450伏和620伏之間的AC峰值電壓下可提供輸出功率，人們將會看到，發(fā)電機20可以進行選擇，不僅使阻抗可以匹配于原動機，而且可使發(fā)電機在低于1000rmp轉動速度下不輸出電力；由此可只在一定速度下提供適當?shù)碾娏Γ淇纱_定為大于約5％峰值功率，其中速度是在所用特定發(fā)動機遇到的較高輻射和其他不期望特性的慢速范圍以上所選擇的速度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在1000和1200rmp之間軸速下具有相當大發(fā)電機功率輸出起始將使發(fā)動機輻射減小，而仍不會將負載加到柴油發(fā)動機11上直到柴油渦輪發(fā)動機在速度上已經(jīng)足夠高以便不會降低總柴油機工作速度；還允許對柴油發(fā)動機的燃料注入系統(tǒng)進行調節(jié)，使其逐漸地升高發(fā)動機速度在加大燃料流動之前達到約1200rmp，以滿足低端部轉矩的要求，由此進一步降低發(fā)動機11的氣體和特定輻射。
最后參見圖5，曲線50具有沿橫坐標51的負載電流IL和沿縱坐標52的負載電壓VL。負載(電動機30)是恒定電力負載，其具有V-I曲線53，如圖中虛線所示。該曲線是提供給負載電動機的電力，它是在曲線53上任何點上工作電壓于工作電流相乘的積，其中工作電壓近似等于發(fā)電機電壓Vg。在一定設置速度下，發(fā)電機20將沿發(fā)電機功率曲線工作，其可產(chǎn)生由電池系統(tǒng)電壓點Vb所確定的電力。為了便于說明，假設用實線曲線55所給出的第一工作速度是發(fā)電機功率曲線。該曲線是對于高于第二曲線56的中速(就是說1800rmp)的速度(即2000rmp)作出的，其中速將仍高于第三工作曲線57(在1600rmp下)的低速。如果向發(fā)電機要求的功率在給定速度下即沿曲線55為2000rmp明顯地低于發(fā)電機容量的話，電流I將自然地會降低，使系統(tǒng)在足夠低的點上工作。在曲線55上，在點55a上可獲得最大效率，隨之在箭頭A方向上出現(xiàn)轉子損耗增加和箭頭B方向上出現(xiàn)I2R損耗增加?？赡艿墓ぷ鼽c只能在曲線53和55上橫跨點55p和55p′；相對高的發(fā)電機電壓通常將會在點55p上工作，這會大大低于相對于發(fā)電機曲線55的最大效率?？刂破?4可識別在電壓V0,1和電流IL,1下的工作，以躲開點55a，并且為了增大發(fā)電機的效率，可調節(jié)柴油發(fā)動機11的速度，即降低速度。經(jīng)過一段時間，發(fā)電機速度降低直到發(fā)電機20沿發(fā)電機曲線56工作。確切的工作點將為56p，即曲線53和曲線56的交點。工作點56p在該新速度下仍將相對遠離發(fā)電機最大效率工作點56a。因此，控制器14會連續(xù)降低發(fā)動機速度直到速度達到產(chǎn)生曲線57，使發(fā)電機工作在點57p上，其很接近于最大工作效率點57a。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使發(fā)電機阻抗Z匹配于使發(fā)電機軸轉動的發(fā)動機，可獲得約94％的最小效率，其與具有工作曲線如曲線48的發(fā)電機典型的85％的效率不同。
在經(jīng)過相對于優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述的同時，許多改進和變形對于本技術領域的普通專業(yè)人員來說將是明顯的。因此，本發(fā)明只限于后續(xù)權利要求所限定的范圍，而不是為描述所指出的細節(jié)和說明。
權利要求
1．一種用于產(chǎn)生電力的裝置，其包括原動機裝置，其具有在一定速度ω下轉動的輸出軸，該速度可確定輸出功率函數(shù)，其在每個ω數(shù)值下具有輸出功率/ω斜率Md；和發(fā)電機裝置，其用于響應于所述軸的轉動提供電力，并且其阻抗可進行選擇，使發(fā)電機輸出功率/ω斜率Mg近似于所述Md斜率。
2．如權利要求1的裝置，其進一步包括用于控制軸轉動速度使裝置效率最大的裝置。
3．如權利要求1的裝置，其中發(fā)電機阻抗可提供工作曲線斜率Mg，其不大于斜率Md的兩倍。
4．如權利要求1的裝置，其中發(fā)電機阻抗可提供工作曲線斜率Mg，其不小于斜率Md的一半。
5．如權利要求1的裝置，其中對于小于約1500rmp轉動速度ω，所述發(fā)電機裝置可提供較低功率輸出，即低于發(fā)電機最大功率輸出的約10％。
6．如權利要求5的裝置，其中對于小于約100rmp轉動速度ω，發(fā)電機不提供功率輸出。
7．如權利要求1的裝置，其中所述原動機裝置是燃燒碳氫燃料的發(fā)動機。
8．如權利要求7的裝置，其中所述發(fā)動機是在混合電動車輛中使用的渦輪柴油發(fā)動機。
9．一種用于產(chǎn)生電力的方法，其包括下列步驟(a)提供一種原動機，其具有在一定速度ω下轉動的輸出軸，其速度可確定輸出功率函數(shù)，其函數(shù)在每個ω數(shù)值下具有輸出功率/ω斜率Md；(b)提供一種發(fā)電機，其響應于輸出軸的轉動而產(chǎn)生電力；和(c)選擇發(fā)電機阻抗，使其具有的發(fā)電機輸出功率/ω斜率Mg接近于斜率Md。
10．如權利要求9的方法，其中斜率Mg是在斜率Md約兩倍的范圍內(nèi)。
11．如權利要求9的方法，其進一步包括改變原動機速度ω使發(fā)電機效率最大的步驟。
12．如權利要求9的方法，其進一步包括使發(fā)電機無勵磁工作的步驟。
13．如權利要求9的方法，其進一步包括還選擇發(fā)電機以便只在預選最小ω數(shù)值以上的情況下才提供電力輸出的步驟。
14．一種用于在混合電動車輛中產(chǎn)生電力的方法，其包括下列步驟(a)提供一種原動機，其具有在一定速度ω下轉動的輸出軸，其速度可確定輸出功率函數(shù)，其函數(shù)在每個ω數(shù)值下具有輸出功率/ω斜率Md；(b)提供一種發(fā)電機，其響應于輸出軸的轉動而產(chǎn)生電力；和(c)選擇發(fā)電機阻抗，使其具有的發(fā)電機輸出功率/ω斜率Mg接近于斜率Md。
15．如權利要求14的方法，其中斜率Mg是在斜率Md約兩倍的范圍內(nèi)。
16．如權利要求14的方法，其進一步包括改變原動機速度ω使發(fā)電機效率最大的步驟。
17．如權利要求14的方法，其進一步包括使發(fā)電機無勵磁工作的步驟。
18．如權利要求14的方法，其進一步包括還選擇發(fā)電機以便只在預選最小ω數(shù)值以上的情況下才提供電力輸出的步驟。
19．如權利要求14的方法，其進一步包括下列步驟選擇原動機為柴油發(fā)動機；選擇發(fā)電機為具有輸入軸的AC發(fā)電機；和將發(fā)動機輸出軸直接連接于發(fā)電機輸入軸上。
20．如權利要求19的方法，其進一步包括下列步驟在無勵磁下使發(fā)電機工作；改變原動機速度ω使發(fā)電機效率最大；和選擇發(fā)電機，使其只在預選最小ω數(shù)值以上情況下才提是供電力輸出。
全文摘要
在電力產(chǎn)生單元中,其帶有原動機,該原動機具有輸出軸可在一定速度ω下轉動,其速度可確定輸出功率函數(shù),該函數(shù)在每個ω數(shù)值下具有輸出功率/ω斜率M
文檔編號H02K3/00GK1226104SQ99102948
公開日1999年8月18日 申請日期1999年2月9日 優(yōu)先權日1998年2月9日
發(fā)明者T·M·格雷維 申請人:洛克希德馬丁公司