发电系统的调制控制的制作方法

专利名称：发电系统的调制控制的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及发电，具体来说，涉及发电机和关联系统。
背景技术：
永磁(PM)交流发电机的输出电压和频率通常取决于交流发电机转 子转速，这在转子转速无法单独控制的功率调节方面带来难题，例如 在如飞机、船只、车辆或发电机等的由原动机(prime mover)驱动的交 流发电机中，特别是在希望指定的固定电压和频率交流发电机输出而 不管原动机的可变速操作的情况下。存在用于调节高电力的有限节省 成本的有效部件。现有电子通信系统既笨重且昂贵。本申请人的标题 为"电机的体系结构"的美国专利No. 6965183以及标题均为"电机的 饱和控制"的共同未决美国专利申请序号10/996411和11/420614提 供新的体系结构和方法，但是当然存在对发电和调节电力的现有技术 的进一步改进的余地。

发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于发电和调节电力的改进技术 和设备。
在一个方面，本发明提供一种设备，包括第一交流发电机和第 二交流发电机，各交流发电机均具有转子和定子，定子具有在定子与 转子之间共同定义的多个转子-兹路以及多个辅助磁路，各转子磁路环 绕(encircle)定子的至少一个功率绕组的第一部分，各辅助》兹路环绕 设置在转子磁路外部的功率绕组的第二部分，至少一个控制绕组与所 述辅助磁路关联，使得通过控制绕组的饱和控制电流使不同于转子磁路的所述辅助磁路的至少一部分磁饱和，辅助磁路成对，使得在一个 辅助磁路中，关联控制绕组和定子绕组第二部分在相同方向上缠绕
(wound around)定子，而在另一个辅助》兹路中，关联:控制绕组和定子 绕组第二部分在相反方向上缠绕定子；受控电流源组件，与各交流发 电机的所述至少一个控制绕组连接，并且适合于向其提供周期DC控制 电流，DC电流具有高于使所述辅助磁路的所述部分饱和所需的饱和度 的最大幅度；第一整流器，用于把来自所述第一交流发电机的至少一 个功率绕组的交流电转换成直流电；第二整流器，用于把来自所述第 二交流发电机的至少一个功率绕组的交流电转换成直流电；以及组合 器电路，用于把来自所述整流器的直流电组合到交流电输出中。
在另一个方面，本发明提供一种设备，包括以驱动方式 (drivingly)与原动机连接以产生交流发电机交流电的至少一个交流 发电机，交流发电机具有转子、定子组件和饱和设备，定子組件具有 用于提供所述交流发电机交流电的至少一个定子绕组，定子绕组具有 相互串联的至少一对支路(leg)，支路在圆周上(circumferentially)
相对于定子组件相互间隔开，转子和定子组件共同定义用于传导转子 磁通量的至少两个转子磁路，转子磁路其中之一环绕定子绕组的所述 支路之一的第 一部分，而转子磁路的另 一个环绕定子绕組的所述支路 的另一个的第一部分，定子组件定义用于传导磁通量的至少一对辅助 磁路，辅助磁路其中之一环绕定子绕组的所述支路之一的第二部分， 而辅助磁路的另一个环绕定子绕组的所述支路的另一个的第二部分， 辅助磁路远离转子磁路，饱和设备与各辅助磁路的至少一部分关联， 各辅助磁路的所述至少一部分远离转子磁路，饱和设备适合于以所选 频率有选择地使各辅助磁路的所述部分磁饱和，饱和设备适合于在与 沿那个辅助磁路循环(circulate)的石兹通量相同的方向上使辅助》兹^各 其中之一磁饱和，同时在与沿那个辅助磁路循环的磁通量相反的方向 上使辅助磁路的另一个磁饱和；AC-DC转换电路，其与定子绕组连接， 适合于将交流发电机交流电转换成直流电；以及DC-AC转换电路，其
12与AC-DC转换电路连接，并且适合于将直流电转换成具有与所选频率 成比例的输出频率的交流电输出。
在另一个方面，本发明提供一种设备，包括以驱动方式与原动 机连接以产生交流发电机交流电的至少一个交流发电机，交流发电机 具有转子和定子组件，定子组件具有用于提供所述交流发电机交流电 的至少一个定子绕组，定子绕组具有相互串联的至少一对支路，支路 在圆周上相对于定子组件相互间隔开，转子和定子组件共同定义用于 传导转子磁通量的至少两个转子磁路，转子磁路其中之一环绕定子绕 组的所述支路之一的第一部分，而转子磁路的另一个环绕定子绕组的 所述支路的另一个的第一部分，定子组件定义用于传导磁通量的至少 一对辅助磁路，所述辅助磁路其中之一环绕定子绕组的所述支路之一 的第二部分，而所述辅助磁路的另一个环绕定子绕组的所述支路的另 一个的第二部分，辅助磁路远离转子磁路，辅助磁路具有包括缠绕辅 助磁3各的至少 一部分的至少 一个控制绕组的饱和设备，辅助磁路的所 述至少 一部分远离转子磁路，控制绕組适合于当饱和阈值电流经过控 制绕组时使辅助磁路的所述部分磁饱和，其中辅助磁路其中之一的控 制绕组在与所关联的定子绕组支路的第二部分相同的方向上缠绕，以 及辅助磁路的另 一个的控制绕组在相对于所关联的定子绕组的第二部 分的相反方向上缠绕；受控电流源，用于向控制绕组提供具有所选频 率以及至少所述饱和阈值电流的最大幅度的可变幅度电流；AC-DC转 换电路，其与所述定子绕组连接，并且适合于将交流发电机交流电转 换成直流电；以及DC-AC转换电路，其与AC-DC转换电路连接，并且 适合于将直流电转换成具有与所选频率成比例的输出频率的交流电输 出。
在另一个方面，本发明提供一种设备，包括具有转子、定子组 件和饱和设备的交流发电机，定子组件具有至少一个定子绕组，该绕
组具有相互串联的至少一对支路，支路在圆周上相对于定子相互间隔 开，转子和定子組件共同定义用于传导转子磁通量的至少两个转子磁路，转子磁路其中之一环绕定子绕组的所述支路之一的第一部分，而 转子磁路的另一个环绕定子绕组的所述支路的另一个的第一部分，定 子组件定义用于传导磁通量的至少两个辅助磁路，辅助磁路其中之一 环绕定子绕组的所述支路之一的第二部分，而辅助磁路的另一个环绕 定子绕组的所述支路的另一个的第二部分，辅助磁路远离转子磁路， 饱和设备适合于使各辅助磁路的至少 一部分磁饱和，各辅助磁路的所 述至少 一部分远离转子磁路，饱和设备适合于在与沿那个辅助磁路循 环的磁通量相同的方向上使辅助磁路其中之一磁饱和，同时在与沿那
个辅助磁路循环的磁通量相反的方向上使辅助磁路的另 一个磁饱和； 以及整流器，设置成把来自定子绕组的交流电转换成直流电。
在另一个方面，本发明提供一种用于产生交流电的设备，包括 具有含至少一个定子绕组的定子的至少一个交流发电机，定子定义至 少两个转子磁路以及与转子和转子磁路分离的至少两个辅助磁路，定 子绕组的第 一部分仅纟支转子磁路环绕，而其第二部分仅由辅助磁路环 绕；用于在相反的相对方向上使相应的辅助磁路对的至少一部分磁饱 和、由此在使转子磁路保持未饱和的同时调节交流发电机输出的部件； 控制设备，适合于控制所述部件按照所选模式有选择地控制饱和度； 整流器，把来自定子绕组的交流电转换成直流电；以及换流器 (inverter),用于把来自整流器的直流电转换成具有与所述所选模 式成比例的输出才莫式的交流电输出。
在另一个方面，本发明提供一种在发电系统中产生交流电的方法， 发电系统具有至少第一和第二交流发电机，各具有包括至少一个功率 绕组和至少 一个控制绕组的定子，各功率绕组具有与多个转子石兹路关 联的多个第一部分以及与和转子磁路隔离的多个辅助磁路关联的多个 第二部分，各控制绕组缠绕各辅助磁路的至少一部分，各辅助磁路的 所述部分远离转子磁路，其中，对于其控制绕组在与所关联的定子绕 组的第二部分相同的方向上缠绕的各辅助磁路，存在另一个辅助磁路， 该辅助磁路的控制绕组在相对于所关联的定子绕组的第二部分的相反方向上缠绕，所述方法包括以下步骤驱动所述第一和第二交流发电机以便在所述功率绕组中感生交流电流；按照所选模式在幅度上改变各交流发电机的所述控制绕组中的控制电流，所述所选才莫式的至少一部分具有充分的电流幅度，以便使辅助磁路的所述部分磁饱和，由此控制功率绕组中的所述感生交流电流的幅度；把来自各交流发电机的功率绕组的电流转换成直流电；以及组合各交流发电机的所述直流电，以便提供具有与所选模式成比例的模式的交流电输出。
在另一个方面，本发明提供一种用于提供交流电的方法，该方法包括以下步骤将交流发电机与负载系统连接，交流发电机具有转子以及带至少一个定子绕组的定子组件，定子绕组具有在圆周上相对于定子组件相互间隔开的至少 一对串联支路，支路均具有相应的第 一和第二部分；使转子相对于定子组件转动，以便使转子磁通量沿围绕定子绕组的所述支路的所述第 一部分的每个的相应第 一磁通路(magnetic path)通过定子循环，从而在定子绕组中感生交流电流，定子绕组中的所述感生电流在定子组件中、在围绕定子绕組的所述支路的所述第二部分的每个的相应第二磁通路中感生辅助磁通流，第二-兹通路完全定义在定子组件中，并且与第一磁通路分离；以预期频率使远离第一磁通路的定子组件的至少两个部分磁饱和以及去磁饱和，所述定子组件部分包括所述第二》兹通路的对应一个的至少一部分，由此通过其传导所述辅助磁通流，其中使所述至少两个定子组件部分之一在与辅助磁通流流经的方向相同的方向瞬时饱和，而使所述定子组件
部分的另一个在与辅助磁通流流经的方向相反的方向瞬时饱和；将感生交流电整流为直流电，直流电包含具有与所述预期频率成比例的频率的循环分量；以及将直流电改变为具有与所述预期频率成比例的频率的交流电输出。
在另一个方面，本发明提供一种生成交流电输出的方法，包括以下步骤驱动交流发电机以产生与输出AC周期的正半部对应的电力；驱动第二交流发电机以产生与输出AC周期的负半部对应的电力；对相应交流发电机输出进行整流；以及相加交流发电机输出以提供交流电输出。
通过以下包含的详细描述的附图，这些及其它方面的其它细节将会非常明显。


现在参照附图，附图包括
图1是永磁交流发电机的截面；
图2是图1的交流发电机的局部示意图3是图1和图2的机器的示例功率绕组(power winding);
图4是图l和图2的机器的局部等效电路的示意图5是示出根据本描述的系统的示意图6是图5的系统的一个实施例的示意图6a是图6的系统的一个备选实施例的示意图7是示出图6的控制电流调制器的一个实施例的框图8是示出另一个实施例、与图5相似的示意图9是与图1相似的、交流发电机的另一个配置的截面；
图IO是示出另一个实施例、与图5和图8相似的示意图11是示出另一个实施例的示意图12是根据本技术的方法的步骤的流程图13以横截面示出另一个交流发电机配置的一部分；以及
图14以横截面示出另一个交流发电机配置的一部分。
具体实施例方式
首先参照图1和图2，示出永磁(PM)电机IO。为了便于说明和描迷，图2示出图1的电机10的线性布置。但是，大家要理解，电机IO—般优选地具有图1的圆形体系结构，其中具有内部或外部转子(图1示出外部转子)。技术人员还会理解，图1和图2以及伴随的描述实际上是示意的，并且为了清楚起见可能有时省略机器设计的常规细节，
这是技术人员清楚知道的。机器10可配置为发电的交流发电机、将电
力转换成机械转矩的电机或者它们两者。在以下描述中，这种机器的交流发电机方面是主要关注的。
机器i o具有转子12，其中具有可选地插入隔板16的永磁体14 ，安装转子12以便相对于定子20转动。提供固定套筒(retentionsleeve) 18以便保持永磁体14和隔板16。在磁体14之间还提供磁通路。定子20具有至少一个功率绕组22以及优选的至少一个控制绕组24。在所示实施例中，定子20具有3相设计，其中具有三个基本独立的功率绕组22(相位在图2中分别由加圆圈数字1、 2、 3表示)以及相应的三个控制绕组24。这个实施例中的功率绕组是星形连接，但是，根据需要，它们可以是三角形连接或者甚至无连接。在这个实施例中，功率绕组22和控制绕組24通过绕组气隙26分隔，并且"i殳置在径向相位槽28中，径向相位槽28分为设置在定子20中的相邻齿30之间的槽部分28，和28"。为了便于描述，相邻相位槽28在图2中表示为A、B、 C、 D等，以指明相邻相位槽28。功率绕组22与控制绕组24电绝缘。护铁32在本申请中又称作控制通量总线32，它在槽28之间和底部(即图2中的相邻槽部分28"的底部之下)延伸。转子气隙34以典型方式分隔转子12和定子20。磁芯或"桥"部分又称作定子20的"功率通量总线"部分36,它在槽28中在相邻齿对30之间延伸，以便形成两个不同的槽28，和28"。第一槽28，仅保持功率绕组22，而第二槽28，，保持彼此相邻的功率绕组22以及控制绕组24。
PM机器10的材料可以是设计人员认为适合的任何材料。本发明人优选的材料是钐钴永磁体、铜功率和控制绕组、用于定子齿及功率和控制通量总线的适当可饱和电磁材料，例如Hiperco 50合金(Carpenter Technology Corporation的商标)是优选的,但是也可使用其它适当材料，例如常用于构造电磁机器的电硅钢。根据需要，定子齿、功率和控制通量总线可以彼此集成在一起或不集成在一起。图3示出在3相配置的定子中缠绕时定位的功率绕组22其中之一的示例。在这个实施例中，功率绕组22的每个由单圏导体组成，它进入例如所选槽28(例如图2中的槽"A")的第一槽部分28'，贯穿该槽并从槽的对端离开，然后径向穿过功率通量总线36以进入相同槽28(例如槽"A")的第二槽部分28"，此后，它又贯穿所选槽的长度，从第二槽部分28"离开，因此在与进入时相同的定子轴侧离开槽28。然后，功率绕组22的导体进入下一个所选槽28(例如图2中的槽"D")的第二槽28"，其中功率绕组22则进入和经过槽28，离开并且径向穿过功率通量总线36,然后进入所选槽28的相邻第一槽部分28',然后再次穿过该槽以便在与绕组进入所选槽28的槽28"的位置相邻处离开槽28，和定子。然后，功率绕组进入下一个所选槽28(例如槽"G)，模式以这种方式重复进行。与相位2对应的第二功率绕组22开始于适当的所选槽(例如图2的槽B)并沿着类似通路，但优选地在相对于相位1的绕组22的相反绕组方向缠绕。也就是说，相位2的绕组22将经由槽部分28"进入所选槽(槽B)(因为上述相位1的绕组22经由槽部分28，进入槽A),然后沿着相似但相反的通路逐槽(例如槽B、 E等)到达相位1的导体。类似地，相位3的绕组22优选地相对于相位2相反地缠绕，因此经由槽部分28，进入定子的所选槽(例如槽"C"),并且沿着与相位1相同但与相位2的模式相反的一般才莫式逐槽(例如槽C、 F等)进行。因此，功率绕组22的相位相对彼此相反地缠绕。
同时，控制绕组24巻绕控制通量总线32，现在将描述其方式。参照图2,在这个实施例中，控制绕组24优选地形成优选地多次、例如25次巻绕控制通量总线32的环路，以便4是供25: 1控制-功率绕组圏数比，其原因如下所述。相邻的第二槽28"之间的绕组的方向优选地逐槽相同，因此相对于如上所述缠绕的相同相位的功率绕组22交替相反，使得在各控制绕组24中感生实质上纯零电压，下面还将进一步进行描述。优选地，围绕控制通量总线32的所有环路处于相同方向。注意，控制绕组24不一定需要连同功率绕组一起分隔为相位，而是可以只是以相邻方式逐槽(例如槽A、 B、 C、 D等)进行。或者，虽然没有分隔成(segregated into)与功率绕组22对应的相位，但是可能希望提供多个控制绕组，例如以便降低电感，并且由此改进某些情况下的响应时间。优选地，若干控制绕组24以串联-并联布置来提供，意味着数个槽的控制绕组24串联，而数个这类绕组则并联，以便为机器提供完整的控制绕组。虽然优选的是交替功率绕组的绕组方向而不是交替控制绕组的方向，但是，功率和控制绕组优选地缠绕在偶数槽中，一半处于相同方向，而一半处于相反方向，以便确保由于功率绕组22中的电流而在各控制绕组24中感生实质上的纯零电压，因而实现以下所述的功能。
控制绕组24与电流源50 (参见图4)连接，电流源50在本例中包括可变电流直流(DC)源以及优选地具有下面进一 步描述的功能性的适当固态控制系统。如果存在一个以上控制绕组24,则各控制绕组24可与同一个电流源50连接或者与相应电流源连接。来自这种源的所需近似电流主要通过所需的功率绕组输出电流以及功率和控制绕组的圈数比来定义，这是技术人员根据本公开会理解的。
参照图4，机器10的各相位可通过近似等效电路IO，来表示，近似等效电路IO，具有与多个功率电感器22'(即，等效于设置在第二槽28，，中的功率绕组22的部分)连接的多个交流(AC)电压源12，(即，均等效于移动磁转子系统与设置在第一槽28，中的功率绕组22的部分的结合)，电压源12，和功率电感器22，交替串联设置。与功率电感器22，关联的是具有可饱和磁芯32，(等效于控制通量总线32)的多个控制电感器24，(即，等效于控制绕组24)。控制电感器24，与本例中由50表示的可变DC电流源和控制系统连接。因此，可以看到，功率绕组22、控制绕组24和控制通量总线32共同提供定子12中的至少一个可饱和/磁芯电感器。下面进一步描述，可饱和/磁芯电感器与其它电》兹效应结合提供实现以下所述的功率调节方案的综合方式。
又参照图2，当机器10用于交流发电机才莫式时，转子12相对于定子20转动(即通过原动机)。磁体14以及形成主要磁路的一部分的定子的部分的交互在PM机器10中沿本文中又称作转子磁路的主要磁通量通路或磁路6Q创建主要磁通量。主要或转子通量在功率绕组22中感生电压，功率绕组22在电气负载被连接时产生感生电流。功率绕组22中的感生电流使辅助磁通量沿相邻辅助磁通量通路或磁路62循环。技术人员根据本^Hf会理解，如果功率绕组22中没有电流，则没有磁通量围绕辅助磁路循环。另外，辅助磁路中的磁通量或者没有磁通量没有直接影响主要磁路中的通量。辅助AC磁路62通常与转子12和主要磁路60隔离，因为辅助磁路62中的AC通量仅归因于功率绕组中的电流。因此，辅助磁路可说成是远离主要》兹路而定义，并且以这种方式提供，以便能够与主要磁路中的通量无关地传导磁通量。从图2还会注意到，主要磁路环绕功率绕组22的第一部分(即槽部分28，中的部分)，而辅助磁路62环绕功率绕组22的第二部分(即槽部分28"中的部分)，不用说在这个实施例中还环绕控制绕组24的一部分。槽部分28"处于主要磁路(magnetic circuit) 60的外部。要理解，本描述仅适用于3相位所示实施例的相位"1",并且类似交互等相对于其它相位发生。
技术人员根据以上论述会理解，在许多情况下可能希望包括调节设备，以便在无负载条件期间保持功率绕组中的最小电流，例如本发明人于2006年4月21日提交的标题为"电压限制电机"的共同未决申请序号11/379620所述，通过引用结合到本文中，现在简要地进行描述。图2示出定子中定义的虚线磁通量通路61，沿着该虚线磁通量通路61，来自转子磁体的泄漏通量(本文中为了方便起见又称作主要抑制通量61)从磁体通过齿30并且围绕第三磁路通路64流动，从而使原本在主要磁路通路62中沿功率总线36流动的转子通量的一部分改为向下并沿控制总线32分流，然后又经由适当齿30向上分流到异性极磁体。这个作用引起在设置于槽28的下部28"的功率绕组22的部分中感生电压，其极性与设置于槽28的上部28，的功率绕组22的部分中产生的电压相反。这还降低设置于槽28的上部28，的功率绕组22 的部分中产生的电压，因为原本经由功率通量总线36通过的通量的一 部分转向控制总线32。当控制绕组24中存在极少或者没有电流时， 这两个动作抑制有效电压源12，(如图4所示)。当控制绕组24中的电 流增加时，较少转子泄漏通量经由控制总线(即沿通路61)通过，并且 降低抑制作用，从而引起功率绕组22中产生的电压的提高。
仍然参照图2，在这个实施例中，主要磁路60包括转子12、转子 气隙34、功率通量总'线36以及转子12与功率通量总线36之间的定 子齿30的部分。主要磁路60环绕功率绕组22的一部分，并且在用作 交流发电机时，来自转子、沿主要磁路60循环的磁通量引起功率绕组 22中的电流。(技术人员会理解，转子的转动使磁通量沿主要磁路60 循环，与电流是否在功率绕组22中流动无关。)在这个实施例中，辅 助磁路62包括功率通量总线36、控制总线32以及控制总线32与功 率通量总线36之间的定子齿30的部分。由于辅助磁路62通路与主要 磁路60通路隔离，所以转子磁通量决不围绕辅助磁路62循环。
仍然参照图2，在这个实施例中，辅助》兹路62环绕第二槽28"中 的功率绕组22和控制绕组24的部分。主要磁路60环绕第一槽28，， 而辅助磁路62环绕第二槽28"。优选地，第一槽28，在径向上比第二 槽28，，更接近转子12。功率通量总线36优选地为主要和辅助磁路通路 所共有，但不一定如此。例如，如果需要，则功率通量总线可与沿通 量线的方向的辅助通量通路的上部分隔，使得辅助磁路在物理上与主 要磁路分隔，如图13所示(但是，这将消除如上所述的无/低负载电压 源抑制作用)。在图13的实施例中，控制绕组24位于设置在独立定子 21中的槽28b之内，独立定子21优选但不一定与定子20共中心定位。 虽然控制绕组24在图13中示意示为单片环形，但是如上所述，它优 选地是与适当电源(本图中未示出)连接的多圏缠绕导体。功率绕组20 设置在槽28a和28b中，因此在定子20与定子21之间延伸。功率绕 组末圏23接合相邻槽的导体(图13的实施例具有功率绕组22的三个集合-仅示出其中之一 -其中各绕组集合对应于三相系统的一相，
因此末圈23的三个集合如图13所示，最里面的集合对应于所示功率 绕组22，而其它的对应于未示出的相邻相位)。定子21提供控制通量 总线32和辅助磁路62，而功率通量总线36在定子20中提供。功率 通量总线部分36形成主要J兹路60的一部分，而定子21形成辅助磁路 62的一部分。控制通量总线32提供辅助磁路62和第三磁路64的一 部分，如前所述。定子21以任何适当方式来支承，例如通过与定子 20(未示出)结合、通过安装到定子20或其它适当基础的支柱(未示 出)、或者只通过功率绕组22本身所提供的固有支承，优选地与适当 部件(未示出)结合以阻止不希望的振动等。其它适合的机器配置是可 用的，在申请人于2006年5月26日提交的共同未决申请序号 11/420614中/>开了它们的几个示例，通过引用结合到本文中。
又参照图2的实施例，第三磁路64优选地围绕控制总线32循环， 如图2部分所示(即，仅示出第三电路的一部分，如这个实施例中的第 三电路通过整个定子20循环)。控制通量总线32优选地为辅助和第三 磁路通路所共有。控制通量总线32的至少一部分是通过第三磁路64 中的通量强度可饱和的。
当作为交流发电机进行操作时，机器10允许功率绕组22的输出 通过操纵提供给控制绕组24的电流来控制，现在将进行描述。
如上所述，等效功率电感器22，由第二槽28"中的功率绕组22的 部分和辅助磁路62形成，如图4的等效电路示意表示。控制绕组24 共用辅助》兹路62的一部分，^f旦是如上所述，由于它优选地在相同方向 缠绕各第二槽28"中的控制通量总线32，因此，所实现的所得效果与 相对于功率绕组22交替反极性可饱和电感器所提供的相似，并且优选 地实质上在整个控制绕组24中没有通过辅助磁路62中的通量或者通 过来自转子磁体的主要抑制通量61产生的净电压。
将DC电流从源50施加到控制绕组24使DC通量沿控制通量总线 32中的电路64循环。在图2所示的时刻可以看到，控制通量总线32的第三磁路64中的DC通量在槽A中处于与辅助磁路62中的AC通量 相同的方向，但在槽D中，控制通量总线32的第三磁路64中的DC通 量的方向与辅助磁路62中的AC通量相反。当DC电流在控制绕组24 中增加时，控制总线32中的通量密度增加，使得最终达到饱和通量密 度。机器也可配置成使得实质上通过控制绕组的任何电流引起没有功 率绕组电流(即没有来自功率绕组电流的相反通量)时的定子的关联部 分的饱和。大家会理解，在AC通量和DC通量处于相同方向的控制通 量总线32的区域中首先达到饱和，以及在较高的DC控制电流，如果 功率相位绕组中的电流不足以防止通量处于相反方向的区域中的饱 和，则控制通量总线32的两个区域变为饱和而与通量方向无关。如果 功率绕组中的电流增加到高于取得两个区域的饱和的点，则区域其中 之一将离开饱和。 一旦出现饱和，则辅助磁路62中的AC通量因功率 绕组22中的电流而极大地降低。但是，技术人员通过本文的描述将会 理解，饱和没有实质上改变主要磁路60中的通量，而是仅直接影响在 辅助磁路62中产生的通量。技术人员清楚地知道，本文所述类型的饱 和优选地在主要磁路的任何部分没有出现。
如上所述，控制绕组24相对于功率绕组22的绕组一莫式优选地产 生在控制绕组24中感生的准纯零电压，这筒化控制。在这个实施例中， 从一个槽部分28"到下一个，功率绕组22的连续圏在相反的相对方向 缠绕，而与功率绕组相邻的控制绕组24的对应部分在相同方向缠绕。 另外，由于通过控制通量总线32的DC控制电流在相对于功率绕组22 的不同方向产生磁通量，因此，控制通量总线32的一段将在AC功率 的一半周期(例如正方向或极性)使更多饱和，而控制通量总线32的另 一个段将在另 一半周期(例如在负方向或极性)使更多饱和，因此倾向 于使通过每个半周期的控制动作均衡。
一旦饱和，则磁性材料实质上丟失它们传导附加磁通量的能力， 并且因此表现为对于AC磁力(HAC)和DC磁影响(HDC)的其它变化几乎 是非磁性的。因此，控制通量总线32中的这个饱和条件的最后效果是实际上消除因辅助磁路62引起的电感，由此极大地减小机器10的电 感。这个动作还减小来自沿控制总线循环的转子的泄漏通量(主要抑制 通量61)。
此外，当功率绕组22中的电流例如因外部负载的增加或者由于操 作速度的增加而产生的输出电压的增加而增加时，其中通量方向瞬时 相反的控制通量总线32的部分将变为不太饱和，这引起电感的成比例 增加。这种效果倾向于使输出电流保持为稍微恒定，因此交流发电机 的输出电流变为控制电流的函数。通过辅助磁路62所形成的等效功率 电感器22，的最大电感与携带辅助》兹if各62的定子部分的物理尺寸和材 料相关。峰值功率绕组电流与控制绕组中的DC电流相关，并且可近似 为
IP=K+[Ic*Nc/NP]
其中NP和NC分别是功率和控制绕组中的圈数，IP和IC分别是 功率和控制绕组中的电流，以及K是与功率绕组的最大电感和其它机 器设计特征成反比的常数，这是技术人员会理解的。
这允许操纵功率绕组22的输出，因此控制绕组24可用作控制PM 机器10的源。因此，用于控制PM机器10的操作的部件是在机器本身 中可用的，因为"控制"电流可由PM机器10的功率绕组22、通常结 合整流器来产生。在一些情况下，可需要或希望控制电流的外部源与 电子电流控制结合，但是，将控制绕组24与整流输出电流串联设置也 可用于在某种程度上调节输出电压。因此，该体系结构适用于机器IO 的控制系统的许多新可能性，现在将描述其中的几个示例。
例如，现在参照图2和图4，交流发电机10的输出(即，来自功 率绕组22)可通过将控制绕组24与电源50连接来控制，并且施加到 控制绕组24的电流优选地足以在预期功率绕组电流^使控制通量总线 32饱和，这种饱和由经过在这个实施例中巻绕控制通量总线32的控 制绕组24的电流所感生的沿第三通路64流动的磁通量引起。当出现 饱和时，有效地消除辅助磁路62周围的AC通量，并且功率绕组22与辅助磁路62之间的磁关系是，实际上消除因功率绕组22中的辅助磁 路引起的影响。因此，允许比没有使受控DC电流源所产生的通量饱和 时所流动的电流更多的电流流入功率绕组22。功率绕组电流的这种增 加将限制在其中相反方向的通量的数量变为基本相等的点，从而引起 其中这个通量均衡条件在那个特定时刻出现的辅助磁路部分的去饱
和。去饱和效应引起与相反通量均衡对应的时刻的电感的突然增加， 它又将功率绕组电流限制到对应电流值。因此，受控电流源50提供的
电流水平可根据需要改变，以便对于一系列转子转速和电气负载来调 节功率绕组22的输出电流(因此最终调节输出电压)。在一个示例应用 中，为了实现恒定输出电压控制，反馈控制电路(下面进一步论述)由 源50的控制系统用于将交流发电机输出电压(即功率绕组22的输出) 与固定参考(例如表示预期输出电压电平)进行比较，并且控制可配置 成使得在交流发电机输出电压低于预期参考电平时，提供命令增加控 制电流以增加饱和度、因而增加输出电流，并且因此增加给定输出负 载的输出电压。这类控制系统是众所周知的，并且可使用数字或斗莫拟 方式来实现。在第二示例应用中，如果电流源50根据预期才莫式改变控 制电流，例如在图4示意所示的半正弦才莫式52中，由此当控制绕组按 照下面进一步所述适当配置时相应地影响饱和度，功率绕组的AC输出 的幅度的绝对值将按照相同的一般才莫式和频率改变，因此可通过有用 方式来调节，下面参照图6-12进一步论述。如将要进行论述的，输入 控制才莫式可以是任何预期的，并且无需;l^见则或周期的。优选地，取 决于输出信号或预期影响，输入控制将具有比交流发电机的原始输出 频率更低的频率，但这不是必要的。
又参照图2，磁通量优选地在相同方向围绕控制通量总线32沿第 三磁路64循环。如上所述，虽然控制绕组24设置在与所述3相机器 的特定相位对应的第二槽28"中，但是功率绕组22在归因于与相位的 每个相邻第一槽28，关联的磁体14的异性极布置的每个第一槽28，中 沿相反方向缠绕。为了确保提供第三磁路64的统一方向，如上所述，控制绕组24优选地在所有第二槽28，，中沿相同方向缠绕。又如上所述， 由于上述功率和控制绕组的对应部分之间的这种同相&异相或关系，在 控制绕组24中感生准纯零电压，它是合乎需要的，因为较低DC电位 可用于提供DC控制电流，并且不需要特殊考虑以去除控制绕组24上 的大AC电位。
现在参照图5，其中示出利用机器IO(具有功率绕组22和控制绕 组24)的交流发电机系统。这个实施例中的发电机系统使用两个可变 或固定速度交流发电机270a、 270b，优选地各具有机器10的设计， 各提供可变或固定频率N相电流271a、 271b。当提及与特定交流发电 机270a或270b关联的方面时，系统的组件可一般采用具有后缀"a" 或"b"的参考标号提及，而当通常提及这类元件时没有该后缀。例如 全波N相整流器等的电流整流器272a、 272b将相应功率绕组22的N 相输出电流271a、 271b转换成直流电输出280a、 280b。整流器272a、 272b优选地包括例如高频滤波器等滤波器，以便去除非预期残留分量。 交流发电机270a、 270b使用例如燃气轮机、风车、水轮机或者任何其 它机械动力源等相同或不同的原动机268来驱动。
通过改变控制器274a、 274b提供给交流发电机270a、 270b的相 应控制绕组24的控制电流276a、 276b，使得交流发电机270a、 270b 的AC输出电流(即功率绕组22中的输出电流)的幅度相对于控制输入 电流276a、 276b(即控制绕组24中的控制电流)成比例地改变，来实 现控制，如上所述(即，控制器274a、 274b具有与图4的电源50相似 的控制功能)。也就是说，当相应控制绕组24中的控制电流增加时， 相应功率绕组22中的交流发电机输出AC电流的绝对值在幅度上按照 上述原理成比例增加。通过按照上述技术、如半正弦模式(图5示意所 示的输入电流;溪式)以预期频率、以预期模式并且以足以使对应于辅助 磁路62的定子的至少一部分饱和的级别改变提供^^相应控制绕组24 的输入控制电流276,来自交流发电机的功率绕组22的AC输出271 的幅度的绝对值将按照相同的一般才莫式和频率改变。控制绕组和关联
26控制通量总线优选地配置成使得实质上通过控制绕组的任何电流引起 在没有功率绕组电流(即没有来自功率绕组电流的相反通量)时的的控
制通量总线的饱和。 一旦来自交流发电机270a、 270b的功率绕组22 的AC输出271a、 271b由整流器272a、 272b从AC整流为DC， DC输出 280a、 280b提供成比例并且与控制输入信号276a、 b同相改变的输出， 例如在控制输入是半正弦才莫式时通过半正弦才莫式(图5示意所示)，由 此依照输入控制信号。应用于整流信号的高频滤波将消除整流信号中 剩余的任何紋波，从而仅留下预期半正弦调制DC输出。在这种布置中 控制的两个交流发电机270a、 270b各通过与控制输入对应的^^莫式产生 输出，该输出则由加法器282通过适当方式以任何预期频率(通常达到 交流发电机基本功率频率的大约一半)、包括必要时的零频率(即DC) 进行组合，以便形成全AC波输出284 (图5示意所示)。来自各机器的 整流输出电流直接与输入控制电流相关，并且因此可使其以任何预期 形式改变。通过向交流发电机270a、 270b的控制绕组集合24的每个 提供互补波形，在组合输出端子产生对称AC输出波形。向相应控制绕 组24提供具有"看起来"像半波整流信号(例如整流正弦波的单峰) 的波的输入电流，相似电流波形将流入整流器272输出电路，按照控 制与功率绕组之间的圏数比进行放大。每隔一个周期的反极性则重新 构成全AC波。
现在参照图6，更详细地示出图5的系统的示例。相似参考标号 表示相似元件。 一个或多个原动机268使交流发电机270a、 270b转动， 以便从交流发电机产生n相电流输出271a、 271b。输出271a、 271b 如前面所述按照控制输入276a、 276b和交流发电机270a、 270b的内 部特性经过幅度调制，然后由单元272a、 272b进行整流，然后相加 282，以便向负载提供系统输出电压和电流284,下面将进行描述。如 果半正弦控制输入(例如)提供给交流发电机270a、 270b,则控制输入 相互异相，并且交流发电机270a、 270b的整流输出各与负载电路和开 关277a、 277b的一端连接，负栽电路和开关277a、 277b配置成使得当对应整流器输出为零时，开关对整流器的输出提供短路，因此全正 弦AC电流将流入负载电路。优选地，提供控制输入，使得只有交流发
电机270a、 270b其中之一在给定时间产生输出电流。因此，输出电流 的频率优选地仅取决于输入控制电流的频率，而不取决于交流发电机 270a、 270b的转速。如图6所示，控制电流#^居组合AC输出(280a、 280b)来控制，组合AC输出(280a、 280b)被反馈286给控制274以便 进行处理，并且再次输入控制周期。如上所述，AC输出的大小与交流 发电机270a、 270b的控制绕组和功率绕组之间的圈数比的控制输入的 大小相关。
仍然参照图6，现在将描述一个适当加法器282的布置的细节。 加法器282包括两个开关277a、 277b。开关277a在交流发电机270b 提供有控制电流并且将例如负半周期的输出电流驱动到负载时闭合， 而开关277b在交流发电机270a提供有控制电流以便将正半周期电流 传递给负载时闭合。开关277a、 277b优选地是固态装置、如IGBT晶 体管或MOSFET装置，因为单向开关可用于提供这种电路。整流器272a、 272b是任何适当的、优选地是标准的布置。整流器272a的输出在交 流发电机270a的控制电流处于或接近零时处于或接近零，因此，当开 关277a闭合时，它提供使电流开始在相反方向从整流器输出272b通 过负载流动的电流通路，并且还提供可从整流器272a流动的残留电流 的分流通路。开关277a、 277b可在"接通"和"断开"期间成比例地 控制，以便改进接近波形的零相交点的所产生波形的保真度。当釆用 这种整体调制技术时，原始交流发电机基本频率基本上被消除，仅留 下控制调制分量作为所产生的输出功率频率。
仍然参照图6，在另一个方面，为了采用这种布置来实现给定极 性的DC输出，优选地将一个机器(例如270a)的输入控制电流设置成 所选DC电流，而另一个机器(例如270b)设置成零控制电流，并且未 使用机器整流器上的开关(例如开关227b)闭合。技术人员会理解，"活 动"机器270a的输入控制电流的大小将取决于预期来自整流器272a的输出DC电流的大小，并且取决于例如圈数比等的机器特性。当然， 如果始终需要来自系统的单极性的DC输出电流，则图6的系统可简化 成去除"不需要的"交流发电机和设备，因此可提供单交流发电机系 统，如图6a所示(示意示出但不需要恒定控制电流)。又参照图6，另 一方面，必要时，来自系统的DC输出的极性在通知瞬间可^^转，结 合适当开关只反转被激活的机器270a、 270b。类似地，如果希望矩形 波输出电流，则只需要提供适当调制(即控制)电流和开关控制信号。
存在允许使用单可控机器来产生任意AC输出波形、包括系统的极 限之内的任何预期频率的正弦的其它整流和输出组合方法。下面将针 对图8来论述一个这样的示例。
为了从图6的功率系统的输出获得高保真度功率信号，图7所示 的系统布置可以可选地用于提供调制和开关控制274。将预期固定幅 度的例如400 Hz正弦波的参考信号源290提供给差分误差放大器和信 号分离器292的一个输入。差分》文大器292的另一个输入^是供有负载 电流和电压监测器298从功率系统的输出(即本例中的400 Hz正弦波) 得出的反馈信号286。确定参考290与输出信号反馈286之间的差或 误差。由此产生"校正"电流波形，它从"纯"输入波形经过修改， 尝试去除相对于预期输出(例如由参考290表示)的输出功率信号的误 差，由此产生更"纯"的输出波形。然后，这个校正波形成为控制电 流276的基础，以及信号分离器292向电流源294a和294b提供适当 的信号。因此，在图6的示例中，校正控制电流可不同于示意表示为 276a、 276b的"纯"输入波形。将校正调制控制电流作为控制输入电 流276a、 276b提供给交流发电机270a、 270b。这种作用使输出功率 信号在基于差分放大器292的增益参数的误差范围内，与参考信号290 相似。这样，控制绕组24或整流器系统272a、 272b中的任何非线性 可以最小化或者优选地被消除，包括因开关277a、 277b的开关动作引 起的交叉失真。又参照图6，优选地还通过开关277a、 277b断开和闭 合的速率的控制275a、 275b，使得在从向负载提供电流的一个整流器系统(例如272a)改变成向负载提供电流的另一个整流器系统(例如 272b)时的输出电流的变化速率，来使因开关277a、 277b的开关动作 引起的交叉失真为最小。在交流发电机272a、 272b的输出电流271a、 271b无法完全减小为零、使得开关277a、 277b有效地充当其余电流 的分路的情况下，可需要这种交叉失真最小化技术。如上所述，给定 开关277a、 277b的受控较緩慢转换可提供电路输出电流的正确变化速 率以匹配接近零相交点的参考信号变化速率，由此最小化或消除相交 失真。
除了所产生交流电284的频率控制之外，还能够调节所产生交流 电284的幅度。反馈控制电路由调制和开关控制器274用于将所产生 交流电284的幅度与固定参考(例如表示预期幅度)进行比较，并且控 制可配置成使得当所产生交流电284低于预期幅度时，提供命令以便 增加控制电流的幅度，由此增加饱和度，因此增加所产生交流电284 的幅度。同样，当所产生交流电284的幅度高于预期参考幅度(可以或 者可以不是如上所述相同的参考幅度)时，类似地提供命令以便减小控 制电流的幅度，由此减小饱和度，因此减小所产生交流电的幅度。因 此可调节所产生交流电的幅度。但是，如上所述，任何种类的反馈控 制祐:认为是本发明可选的，并且在必要时可省略。
图8示出一种备选布置，其中设置单调制交流发电机370和4个 双向开关全桥接器以便提供对称AC输出，现在将进行描述。在这种布 置中，调制单元374提供给控制绕组24的调制信号376可以是形状和 频率与预期最终输出信号相似的AC信号，或者是对最终输出信号所预 期的全波整流形式(例如在形状和频率上相似)，如图8示意示出。当 电流在控制输入376的波(例如正弦波)的第一半周期中从零增加然后 又减小到零时，整流器380输出的输出电流将同样增加然后再减小 。 一旦控制输入376的这个第一半周期完成(即控制电流波返回到零输 入电流)，整流器372的输出380上的开关377的位置反转，从而使电 流进入待反转的负载。然后，在提供AC控制电流的情况下控制电流开始在低于零的负方向增加(或者在提供全波整流控制电流的情况下再 次增加)时，输出电流在负载中开始在相反方向增加，因为开关位置反
转(reversed),然后又减小到零，由此完成AC正弦波的另一半。
参照图9,在另一个实施例中，要使用根据本发明进行修改的、 按照申请人的美国专利No. 696518 3中所述的一般原理的N相"双通道" 机器，现在将对其更详细地进行描述。双通道机器410具有设置在定 子42 0中的 一次绕組422和关联控制绕组424的两个(在这个实施例中) 沿圆周分布的不同且完全独立(即电磁分隔)的N相集合。定子420分 为两个部分或两半420a、 420b,这两半在图9中通过平分定子的点虚 线限定，并且将各通道的独立绕组集合(例如422a/424a和422b/424b) 限定到机器的这些独立部分或两半420a、 420b，由此提供"二合一" 或2通道机器410。 N相绕组的两个集合的每个是单独可控的，因此具 有与好像提供两个不同机器(即如图6所示)相似的效果。如申请人的 美国专利No. 6965183中所述，这种多通道体系结构允许多个单独可控 交流发电机存在于同一个定子中，并且可根据需要结合或单独操作。 因此，这种特征允许一个以上功能"机器"存在于同一个定子结构中。 图9的定子优选地包括用于阻止通道A和B的第三磁路之间的串 扰的部件，例如申请人于2006年5月19日提交的标题为"磁控制电 路分隔缝隙"的共同未决申请序号11/419238中所述。如那个申请中 所述，例如定子缝隙421等的串扰减小特征的存在用于实际上在通道 中包含第三磁性。因此，第三磁通量优选地沿控制通量总线432的整 个长度传播到通道边界，其中串扰减小缝隙421的存在将通量重定向 到功率通量总线436,它在其中则又沿功率通量总线436的整个长度 传播(这个通量不存在，因此在图2的单通道实施例中未示出)，直到 通路再次在另一个串扰减小缝隙421附近与第三通路的开始汇合。
图10示出使用双通道机器410来提供交流发电机470的交流发电 机系统。在交流发电机470中，优选地，机器410的一半420a提供与 图5的交流发电机270a相当的功能性，而机器410的另一半420b提供图5的交流发电机270b的功能性。电源控制器474包括适合于提供 适当控制电流476a、 476b以控制交流发电机输出电流470a、 470b的 电流源。如上所述，通过采用与预期输出频率对应的周期交替改变均 由与预期输出频率对应的预期总周期的一半中的预期输出波形(在本 例中为梯形波)的一半组成的控制电流476a、 476b，交流发电机470 的通道A和B可按照上述方式进行调制控制。
所产生交流电484的频率通过控制电流476a、 476b的频率以及恢 复AC分量的频率来控制。另外，所产生交流电484的幅度通过控制电 路476a、 476b的幅度来控制。相应地，可选地将反馈486提供给调制 和开关控制器474，使得可自动调整控制电流的幅度，以便补偿所产 生交流电流或电压484的波动。
因此可以看到，输出频率受到控制，并且可设置成固定预期值或 者可在时间上改变，完全与交流发电机的机械速度无关。例如，因此 能够从变速涡轮机直接驱动发电机，并且通过提供适当控制输入仍然 提供恒定60 Hz交流电输出。在另一个示例中，同样通过提供适当控 制输入，也可提供用于航空应用的400 Hz交流电。因此，交流发电机 的速度不再是输出频率的关键。在例如图5和图6所示的采用一个以 上交流发电机的布置中，交流发电机270a、 270b的速度不一定需要相 等。在所有布置中，交流发电机的速度仅需要高于产生最小输出电压 和/或频率所需的给定最小速度。最大控制电流的交流发电机的最小输 出电压通过例如最大通量变化率以及来自转子的通量循环的绕组的长 度等机器参数来定义。机器速度或输出电压优选地足以至少从整流器 提供DC输出，以便能够再生输出波形中所需的峰值电压。机器速度优 选地是高于这个最小速度的任何实际速度。优选地，为了使本方式所 提供的重量和尺寸有益效果为最大，交流发电机速度将尽可能高，以 便使产生预期输出电压和电流所需的交流发电机尺寸为最小。
参照图12，示出一种以预期频率提供调制AC功率输出的方法。 通过一个或多个原动机驱动(600)—个或多个交流发电机，以便在功率绕组22中感生电力。按照预期输出模式有选择地控制(610)交流发电 机辅助磁路中的饱和，由此影响交流发电机输出，如上所述。将交流 发电机输出从AC转换(620)成DC (即需要交流发电机输出的绝对值)， 并且还可选地执行滤波。然后使DC信号恢复(630)到具有与输入才莫式 对应的频率的AC输出信号。然后可将输出AC信号提供(640)给适当负 载。根据需要，反馈监测(650)可用来帮助改进输出信号保真度，或者 提供其他监测或控制功能。
本方式允许交流发电机输出从零频率(即DC)改变到仅由转子中使 用的磁体的速度和数目限制的频率。调制也可设置成零与最大交流发 电机输出之间的任何幅度，它仅由使交流发电机转动的原动机的功率 限制。控制-功率绕组圈数比优选地大于1:1,以便实现控制输入与交 流发电机输出之间的放大效果。但是， 一般来说，控制绕组中的较低 电感(因此圈数比)对于AC激励是希望的，但是较高圏数比产生也是所 希望的较高放大，因此通常需要优化。影响折衷的是以下事实功率 绕组电压可以极高，其中如果交流发电机输出的频率明显高于调制频 率，则高电流的控制绕组仍然可处于极低电压。
现有的60 Hz涡轮发电机组以3600 RPM或更低运转，以便获得
60 Hz输出频率。这种要求导致极大的机器用于有效发电，并且一般
来说，机器的尺寸和重量对于给定额定功率与其操作速度成反比。例 如火车和轮船等大车辆以及石油平台或者需要标准电力的其它基地对
于例如低速发电机(高功率变速箱加上大的3600或1800 RPM发电机) 或者昂贵的固态功率电子设备和重型滤波系统等电力供应具有有限选 择，以便合成低频功率。本方式允许提供大输出电力供应，它只有这 些现有技术系统的重量和成本的几分之一。因此，本发明提供对所有 这些及其它问题的轻型简单且通用的解决方案。交流发电机可由适当 原动机来驱动，但是具有高切向速度(即交流发电机定子与转子之间的 相对速度)的原动机将使本系统的尺寸为最小，因此利用本方式所提供 的空间、重量等节省。本系统特别适合于通过燃气轮机的主轴来驱动，并且尺寸和重量节省使它完全适合与如涡轮风扇、涡轮轴和涡轮螺桨 燃气轮机等航空引擎配合使用。
本发明可用于提供不同的交流电形状，例如正弦、梯形、三角形 锯齿、矩形波或者任何其它预期形状或才莫式。形状/模式不需要是常规
也不需要是固定的。所产生交流电284的形状通过提供控制电流276a、 276b的适当形状来调整。机器10的设计允许改变饱和程度，与能/断 方案相反。因此可根据需要来调制所产生的交流电284。但是应当考 虑，根据配置，电机10可具有充分非线性行为，控制电流276a、 276b 的形状必须补偿以实现预期结果。另外，如上所述，所产生电流284 不一定是周期交流电，而也可能是任何时变电流，或者如上所述完全 不需要改变(即可以是DC)。
在另一个实施例中，不是依靠用于一个或多个交流发电机中的饱 和控制的控制绕组24和可控电流源50，而是可通过由可以是机械、 电气、电子等或者它们的组合的适当控制和起动系统带入到接近控制 通量总线的永磁体来提供。例如，参照图14，饱和组件包括由可以是 机械、电气、电子等或者它们的组合的适当控制和起动系统(未示出) 带入到接近辅助磁路62的一个或多个适当7^c磁体80。例如，7Jc磁体 80安装到例如通过转动、往复运动、振动或其它移动以可控方式可活 动的支架82,以便允许磁体周期改变辅助磁路的至少一部分的饱和度， 从而适当控制功率绕组22，如上所述。饱和的频率通过控制移动磁体 80的速度和移动来调整。这个永磁体饱和组件消除了对于具有控制绕 组24及其关联电路的电磁组件的需要。可采用任何其它适当磁或电磁 饱和技术，以便实现本文所述的饱和控制效果。
虽然以上为了筒洁起见描述了单相系统输出，但是，系统输出可 具有任何预期数量的相位，只要提供交流发电机的所需数量和配置来 进行这种操作。例如，参照图11，涡轮机568驱动六通道交流发电机 570 (具有通道"a"至"f，，，未示出)，以便提供包括六个单独功率绕 组集合522a-f以及相应控制绕组524a-f的3相电力供应系统，由此向负载提供双通道3相输出584。这样提供的是具有取决于所提供的 控制输入的从零(即DC)到最大频率的可变频率的3相源，它具有要求 高功率能力的许多可能的应用，并且特别是在较高功率级提供优于固 态装置的成本、尺寸和复杂度优点。
为了清楚起见，技术人员会理解， 一般来说，磁性材料的饱和定 义为材料的通量密度的工作范围中的区域，在该区域中，磁化力(H) 的进一步增加没有产生高于仅由空气组成的电路中观测到的通量密度 (B)的明显变化。技术人员还会理解，以低于饱和通量密度50%的通量 密度操作磁性材料不认为是50%饱和，而是理解为根本没有饱和(即， 未饱和)。
以上描述仅意味着示范，并且本领域的技术人员会知道，可对所 述实施例进行变更，而没有背离所公开的本发明的范围。例如，交流 发电机中的相位的数量可改变，并且可以是任何数量。交流发电机可 以是单相或多相、单或多通道。绕组每槽可具有单圈或多圈，绕组的 圈数不一定必须是整数。功率绕组的数量不一定必须等于控制绕组的 数量，并且一个或多个绕组也许存在于槽中。绕组可以是任何导体(即 单导体、多于一条导线、绝缘、层叠、绞合线等)，或者可以是超导体。
在多相交流发电机中，可存在根据适当技术的三角形或Y连接绕组。 在功率和控制绕组之间不需要存在空气间隙，只要绕组相互电绝缘。 转子可以是适当的任何电磁配置(即，不一定是永磁体转子)，并且可 通过外部或内部配置或者任何其它适当配置来提供。其它绕组配置是 可能的，并且以上所述的配置完全不需要使用或者用于整个设备中。 另外，所述的磁路可通过任何适当方式设置在定子(和/或转子)中。同 样，定子和转子还可具有任何适当配置。例如，定子不需要开槽，因 为可使用任何适当定子配置。可使用任何适当的饱和技术。虽然DC 源在以上所述的一些实施例中对于控制饱和是优选的，但是，当适合 于实现预期结果时，也可使用AC源。控制输入不需要^MJ'J、周期 的或者具有恒定频率或幅度，并且可具有复合频率、如音频信号，或者可具有零频率(DC)。整流器不需要是常规的，但可以是或者使用获 取AC信号的绝对值的任何适当部件。换流器、加法器等不需要是常 规的，但可以是或者使用从所提供输入来提供AC信号的任何适当部 件。所述的整流器、加法器、换流器等只是示范，并且可使用将AC 转换成DC或者反之的任何适当部件，而没有背离本文讲授的本发明。 虽然在上述实施例中仅使辅助磁路的一部分饱和，但是，必要时可使 整个辅助磁路饱和，只要转子磁路没有饱和。落入本发明的范围之内 的其它修改将是本领域的技术人员通过阅读本公开清楚知道的，并且 这类修改意在落入所附权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种设备，包括第一交流发电机和第二交流发电机，各交流发电机具有转子和定子，所述定子具有在所述定子和转子之间共同定义的多个转子磁路以及多个辅助磁路，各转子磁路环绕所述定子的至少一个功率绕组的第一部分，各辅助磁路环绕设置在所述转子磁路外部的所述功率绕组的第二部分，至少一个控制绕组与所述辅助磁路关联，使得通过所述控制绕组的饱和控制电流使与所述转子磁路不同的所述辅助磁路的至少一部分磁饱和，所述辅助磁路成对，使得在一个辅助磁路中，所述关联控制绕组和定子绕组第二部分在相同方向缠绕所述定子，而在另一个辅助磁路中，所述关联控制绕组和定子绕组第二部分在相反方向缠绕所述定子；可控电流源组件，所述可控电流源组件与各交流发电机的所述至少一个控制绕组连接，并且适合于向其提供周期DC控制电流，所述DC电流具有高于使所述辅助磁路的所述部分饱和所需的饱和度的最大幅度；第一整流器，用于将来自所述第一交流发电机的至少一个功率绕组的交流电转换成直流电；第二整流器，用于将来自所述第二交流发电机的至少一个功率绕组的交流电转换成直流电；以及组合器电路，用于将来自所述整流器的直流电组合成交流电输出。
2. 如权利要求l所述的设备，其中，所述可控电流源组件向各交 流发电机提供可变幅度DC控制电流，并且它与提供给另一个的电流异 相改变。
3. 如权利要求l所述的设备，其中，所述可控电流源组件向各交 流发电机提供与所述交流电输出的一半周期对应的间断DC控制电流。
4. 如权利要求l所述的设备，其中，所述可控电流源组件提供以 半正弦模式改变的DC控制电流。
5. 如权利要求1所述的设备，其中，所述周期DC控制电流的频 率与相应交流发电机的转速无关。
6. 如权利要求l所述的设备，其中，所述第一和所述第二交流发 电机包括具有共用磁转子的单机器，各交流发电机的所述定子被定义 为所述机器的定子组件的实质无关部分，所述定子在所述定子组件中 实质上相互/F兹隔离，所述定子的功率绕组相互电隔离。
7. 如权利要求l所述的设备，其中，各辅助磁路完全设置在其相 应定子中。
8. 如权利要求1所述的设备，其中，所述定子包括两个不同部分， 以及所述转子磁路和辅助磁路在所述定子部分的不同部分定义。
9. 如权利要求l所述的设备，其中，所述定子具有其中设置所述 功率绕组的所述第 一部分的多个径向第 一槽，以及每个所迷第 一磁路 环绕所述第一槽的至少一个。
10. 如权利要求9所述的设备，其中，所述定子具有其中设置所 述功率绕组的所述第二部分和所述控制绕组的一部分的多个第二槽， 以及每个所述辅助^兹路环绕所述第二槽其中之一 。
11. 一种设备，包括以驱动方式与原动机连接以产生交流发电机交流电的至少 一个交 流发电机，所述交流发电机具有转子、定子组件和饱和设备，所述定 子组件具有用于提供所述交流发电机交流电的至少一个定子绕组，所 述定子绕组具有相互串联的至少一对支路，所述支路在圓周上相对于 所述定子组件相互间隔开，所述转子和定子组件共同定义用于传导转 子磁通量的至少两个转子磁路，所述转子磁路其中之一环绕所述定子 绕组的所述支路之一的第一部分，而所述转子^兹路的另一个环绕所述 定子绕组的所述支路的另一个的第一部分，所述定子组件定义用于传 导^f兹通量的至少 一对辅助磁路，所述辅助磁路其中之一环绕所述定子绕组的所述支路之一的第二部分，而所述辅助;兹路的另一个环绕所述 定子绕组的所述支if各的另一个的第二部分，所述辅助》兹if各远离所述转 子磁路，所述饱和设备与各辅助磁路的至少一部分关联，各辅助磁路 的所述至少 一部分远离所述转子磁路，所述饱和设备适合于以所选频 率有选择地使各辅助磁路的所述部分磁饱和，所述饱和设备适合于在 与沿那个辅助磁路循环的磁通量相同的方向使所述辅助磁路其中之一 磁饱和，同时在与沿那个辅助磁路循环的磁通量相反的方向使所述辅助^兹;洛的另 一个》兹饱和；AC-DC转换电路，所述AC-DC转换电路与所述定子绕组连接，适 合于将所述交流发电机交流电转换成直流电；以及DC-AC转换电路，所述DC-AC转换电路与所述AC-DC转换电路连 接，并且适合于将所述直流电转换成具有与所述所选频率成比例的输 出频率的交流电输出。
12. 如权利要求11所述的设备，其中，所述定子包括多个外围槽， 以及所述定子绕组的支路的所述第一部分设置在不同的所述槽中。
13. 如权利要求ll所述的设备，其中，所述所选频率与所述交流 发电机的转速无关。
14. 如权利要求11所述的设备，其中，所述原动机以可变速度驱 动所述交流发电机，以及所述所选频率实质上是固定的。
15. 如权利要求ll所述的设备，其中，所述预期频率低于所述交 流发电机的转速。
16. 如权利要求11所述的设备，还包括适合于监测所述交流电 输出的反馈监测器电路，所述监测器与所述饱和控制设备和所述DC-AC 转换电路中的至少 一个进行通信。
17. 如权利要求ll所述的设备，其中，所迷定子组件包括定义所 述转子磁路的第 一定子以及定义所述辅助磁路的第二定子。
18. —种设备，包括以驱动方式与原动机连接以产生交流发电机交流电的至少一个交流发电机，所述交流发电机具有转子和定子组件，所述定子组件具有 用于提供所述交流发电机交流电的至少一个定子绕组，所述定子绕组 具有相互串联的至少一对支路，所述支路在圓周上相对于所述定子组 件相互间隔开，所述转子和定子组件共同定义用于传导转子磁通量的 至少两个转子磁路，所述转子磁路其中之一环绕所述定子绕组的所述 支路之一的第一部分，而所述转子》兹路的另一个环绕所述定子绕组的 所述支路的另一个的第一部分，所述定子组件定义用于传导磁通量的 至少一对辅助磁路，所述辅助磁路其中之一环绕所述定子绕组的所述 支路之一的第二部分，而所述辅助磁路的另一个环绕所述定子绕組的 所述支路的另一个的第二部分，所述辅助磁路远离所述转子磁路，所 述辅助磁路具有包括缠绕所述辅助磁路的至少 一部分的至少 一个控制 绕组的饱和设备，所述辅助磁路的所述至少一部分远离所述转子磁路， 所述控制绕组适合于当饱和阈值电流经过所述控制绕组时使所述辅助 磁路的所述部分磁饱和，其中所述辅助磁路其中之一的控制绕组在与 所关联的所述定子绕组支路的所述第二部分相同的方向上缠绕，以及 所述辅助磁路的另一个的控制绕组在相对于所关联的所述定子绕组支路的所述第二部分的相反方向上缠绕；受控电流源，用于向所述控制绕组提供具有至少所述饱和阈值电 流的所选频率和最大幅度的可变幅度电流；AC-DC转换电路，所述AC-DC转换电路与所述定子绕组连接，并 且适合于将所述交流发电机交流电转换成直流电；以及DC-AC转换电路，所述DC-AC转换电路与所述AC-DC转换电路连 接，并且适合于将所述直流电转换成具有与所述所选频率成比例的输 出频率的交流电输出。
19. 如权利要求18所述的设备，其中，提供给所述控制绕组的所 述电流是幅度按照所述预期频率改变的直流电。
20. 如权利要求19所述的设备，其中，所述幅度以半正弦方式改变。
21. 如权利要求18所述的设备，其中，所述控制绕组具有相对于 所述定子绕组的相应支路的所述第二部分的多圈数比。
22. 如权利要求18所述的设备，其中，所述定子包括多个外围槽， 以及所述定子绕组的支路的所迷第一部分设置在不同的所述槽中。
23. 如权利要求18所述的设备，其中，所述所选频率与所述交流 发电机的转速无关。
24. 如权利要求18所述的设备，其中，所述原动机以可变速度驱 动所述交流发电机，以及所述所选频率实质上是固定的。
25. 如权利要求18所述的设备，其中，所述所选频率低于所述交 流发电机的原始输出频率。
26. 如权利要求18所述的设备，其中，所述所选频率是复合频率。
27. 如权利要求18所述的设备，其中，所述输出频率实质上等于 所述所选频率。
28. 如权利要求18所述的设备，其中，所述输出频率实质上是所 述所选频率的一半。
29. 如权利要求18所述的设备，还包括适合于监测所述交流电 输出的反馈监测器电路，所述监测器与所述受控电流源和所述DC-AC 转换电路中的至少 一个进行通信。
30. 如权利要求18所述的设备，其中，所述定子組件包括定义所 述转子磁路的第 一定子以及定义所述辅助磁路的第二定子。
31. 如权利要求18所述的设备，其中，所述DC-AC转换电路包括 以所述所选频率驱动的开关设备。
32. 如权利要求18所述的设备，其中，所述至少一个交流发电机 包括均具有所述可控电流源和所述AC-DC转换电路的至少两个所述交 流发电机，以及所述DC-AC转换电路相加从与各交流发电机关联的所 述AC-DC转换电路所接收的所述直流电，以便提供所述交流电输出。
33. 如权利要求32所述的设备，其中，所述交流发电机以实质上 相同速度驱动。
34. 如权利要求33所述的设备，其中，所述交流发电机具有共用 转子，并且相应定子设置在共用定子主体的非重叠部分。
35. 如权利要求33所述的设备，其中，所述交流发电机通过同一 个原动纟几来驱动。
36. 如权利要求18所述的设备，其中，各辅助磁路仅沿所述定子 绕组的一个支路循环。
37. —种设备，包括具有转子、定子组件和饱和设备的交流发电机，所述定子组件具 有至少一个定子绕组，所述绕组具有相互串联的至少一对支路，所述 支路在圓周上相对于所述定子相互间隔开，所述转子和定子组件共同 定义用于传导转子磁通量的至少两个转子磁路，所述转子磁路其中之 一环绕所述定子绕组的所述支路之一的第一部分，而所述转子磁路的 另一个环绕所述定子绕组的所述支路的另一个的第一部分，所述定子 组件定义用于传导磁通量的至少两个辅助磁路，所述辅助磁路其中之 一环绕所述定子绕组的所述支路之一的第二部分，而所述辅助磁路的 另一个环绕所述定子绕组的所述支路的另一个的第二部分，所述辅助 磁路远离所述转子磁路，所述饱和设备适合于使各辅助磁路的至少一 部分石兹饱和，各辅助磁路的所述至少一部分远离所述转子;兹路，所述 饱和设备适合于在与沿那个辅助磁路循环的磁通量相同的方向使所述 辅助磁路其中之一磁饱和，同时在与沿那个辅助磁路循环的磁通量相 反的方向4吏辅助磁;洛的另 一个磁饱和；以及整流器，设置成将来自所述定子绕组的交流电转换成直流电。
38. 如权利要求37所述的设备，其中，所述饱和设备适合于以实 质上恒定的饱和度使各辅助磁路的所述至少一部分磁饱和。
39. —种用于产生交流电的设备，包括具有含至少一个定子绕组的定子的至少一个交流发电机，所述定 子定义至少两个转子磁路以及与所述转子和所述转子磁路分离的至少 两个辅助》兹路，所述定子绕组的第一部分仅由所述转子;兹路环绕，而所迷定子绕组的第二部分仅由所述辅助磁路环绕；用于在相反的相对方向上使相应的辅助磁路对的至少 一 部分磁饱 和、由此在使所述转子磁路未饱和的同时调节交流发电机输出的部件；控制设备，适合于控制所述部件按照所选模式有选择地控制饱和度；整流器，设置成将来自所述定子绕組的交流电转换成直流电；以及换流器，用于将来自所述整流器的直流电转换成具有与所述所选 模式成比例的输出模式的交流电输出。
40. 如权利要求39所述的控制器，还包括 用于监测所述交流电输出相对于参考信号的幅度偏差和频率偏差 中的至少一个的部件；以及用于改变所述控制设备的操作以减小所述偏差的部件。
41. 一种在具有至少第一和第二交流发电机的发电系统中产生交 流电的方法，所述第 一和第二交流发电机各具有包括至少一个功率绕 组和至少一个控制绕组的定子，各功率绕组具有与多个转子磁路关联 的多个第 一部分以及与和所述转子磁路隔离的多个辅助磁路关联的多 个第二部分，各控制绕组缠绕各辅助磁路的至少一部分，各辅助磁路 的所述部分远离所述转子磁路，其中对于其控制绕组在与所关联的所 述定子绕组的所述第二部分相同的方向上缠绕的各辅助》兹路，存在其 控制绕组在相对于所关联的所述定子绕组的所述第二部分的相反方向 上缠绕的另一个辅助^兹路，所述方法包括以下步骤驱动所述第一和所述第二交流发电机，以便在所述功率绕组中感 生交流电流；按照所选^^式在幅度上改变各交流发电机的所述控制绕组中的控 制电流，所述所选才莫式的至少一部分具有使所述辅助磁路的所述部分 磁饱和的充分电流幅度，由此控制所述功率绕组中的所述感生交流电 流的幅度；将来自各交流发电机的所述功率绕组的电流转换成直流电；以及 组合各交流发电机的所述直流电，以便提供具有与所述所选模式 成比例的模式的交流电输出。
42. 如权利要求41所述的方法，还包括监测所述交流电输出的瞬时幅度与参考幅度的偏差；以及 改变所述所选才莫式的幅度特性和频率特性中的至少一个，以便减 小所述偏差。
43. —种用于提供交流电的方法，所述方法包括以下步骤 将交流发电机与负载系统连接，所述交流发电机具有转子以及带有至少一个定子绕组的定子组件，所述定子绕组具有在圆周上相对于 所述定子组件相互间隔开的至少一对串联支路，所述支路均具有相应 的第一和第二部分；使所述转子相对于定子组件转动以便使转子磁通量沿围绕所述定 子绕组的所述支路的所述第一部分的每个的相应第一磁通路通过所述 定子循环，从而在所述定子绕组中感生交流电流，所迷定子绕组中的 感生电流在所述定子组件中在围绕所述定子绕组的所述支路的所述第 二部分的每个的相应第二磁通路感生辅助磁通量流，所述第二磁通路 完全在所述定子組件中定义，并且与所述第一磁通路分离；以预期频率使远离所述第一磁通路的所述定子组件的至少两个部 分磁饱和以及去磁饱和，所述定子组件部分包括所述第二磁通路的对 应一个的至少一部分，并且由此通过其传导所述辅助磁通量流，其中 所述至少两个定子组件部分其中之一在与辅助^磁通量流流经方向相同 的方向瞬时饱和，而所述定子组件部分的另 一个在与辅助磁通量流流 经方向相反的方向瞬时饱和；将所述感生交流电整流为直流电，所述直流电具有含与所述预期 频率成比例的频率的循环分量；以及输出
44. 如权利要求43所述的方法，其中，连接交流发电机的所述步 骤还包括将第二所述交流发电机与所述交流发电机并联，以及转动、 磁饱和以及去磁饱和以及整流的所述步骤应用于两个交流发电机，以 及所述改变步骤包括相加从各交流发电机得到的所述直流电。
45. 如权利要求44所述的方法，其中，执行使所述交流发电机磁 饱和以及去磁饱和的所述步骤，使得从一个交流发电机得到的所述直 流电提供所述交流电输出的半周期部分，而从另一个交流发电机得到 的所述直流电提供所述交流电输出的不同的半周期部分。
46. 如权利要求45所述的方法，其中， 一个半周期部分是正电流 半周期部分，而一个半周期部分是负电流半周期部分。
47. 如权利要求43所述的方法，还包括以下步骤 确定所述交流电输出与参考信号之间的误差，以及 修改磁饱和幅度和所述预期频率中的至少一个，以便减小所述误差。
48. —种产生交流电输出的方法，包括以下步骤 驱动交流发电机，以便产生与输出AC周期的正半部分对应的电力；驱动第二交流发电机，以便产生与所述输出AC周期的负半部分对 应的电力；对相应交流发电才几输出进行整流；以及 相加所述交流发电机输出，以便提供所述交流电输出。
49. 如权利要求48所述的方法，其中，只有所述交流发电机其中 之一在给定时间点产生所述电力。
50. 如权利要求48所述的方法，其中，所述相加步骤包括闭合至 少一个开关而断开另一个开关以便将所述交流发电机其中之一与负栽 连^t妄、同时断开所述交流发电^L中的另一个的步骤。
全文摘要
公开用于通过根据预期输出频率改变交流发电机的一部分的饱和度、优选地然后对输出进行整流以产生可作为直流电或交流电输出到适当负载的预期电气输出而从一个或多个固定或可变速度交流发电机产生具有预期输出频率的方法和设备。
文档编号H02P9/48GK101529713SQ200780034622
公开日2009年9月9日 申请日期2007年9月7日 优先权日2006年9月20日
发明者K·A·杜利 申请人:普拉特-惠特尼加拿大公司