專利名稱：包含帶有永久磁鐵的發電機的發電系統的制作方法
技術領域：
本發明關于一個發電系統，該系統包括一個帶有一個安在磁場中的永久磁鐵的發電機。
眾所周知，在一個車載發電機的磁場控制系統中，是使用勵磁電流控制技術來控制發電機的輸出功率。JPA58-66538建議在引擎啟動并且已產生了發電機輸出電壓之后的一段有限時間內，通過控制勵磁電流來減少引擎的負載。JPB26-38720建議在發電機還涼著時，就通過把勵磁電流控制到一個限定的值來減少引擎的負載。
既有永久磁鐵又有勵磁線圈的車載發電機也為人所知。例如，有一種永久磁鐵發電機就被用來增加鏈接電樞線圈的磁通量，該發電機包含一個有著許多爪形電極的磁心和許多位于相鄰爪形電極間的永久磁鐵。也有人建議了一種串聯型且包含一個帶勵磁線圈的轉子和一個帶永久磁鐵的轉子的發電機。JPA6-217411中也建議了一種勵磁線圈與永久磁鐵聯合型的發電機，在這種發電機中，勵磁線圈的通電方向是使它的磁場能抵銷永久磁鐵的磁場的方向，這樣就能夠減少引擎的鐵損和負載。
一種不用勵磁線圈而用永久磁鐵來提供磁場的車載發電機(或永久磁鐵發電機)也為人所知。
在上面提到的永久磁鐵發電機和勵磁線圈與永久磁鐵相結合型的發電機中，由電樞線圈或勵磁線圈產生的磁場(或外磁場)很容易使永久磁鐵失去磁性。即當輸出電流或勵磁電流增加時，外磁場強度可能會增加到某個量，使得永久磁鐵永遠丟去磁性，因而減少了發電機的輸出功率。
本發明提供了一個改進了的發電系統，它包含一個有著可不被消磁的永久磁鐵的發電機，能產生足夠的輸出功率。
按照本發明，一個發電系統包括一個發電機，它包括一個永久磁鐵、一個勵磁線圈、一個電樞線圈、和一個穩壓器、一個限流單元，該單元把勵磁電流限制在一個不致引起磁鐵永遠消磁的可允許的量內。
限制勵磁電流可以使永久磁鐵的尺寸縮小，成本下降并且易于設計。
這里提及的防止消磁包括部分防止和完全防止，在部分防中允許有不顯著消磁發生。永久磁鐵的消磁意味著磁鐵的一部分甚至是全部的矯頑力的降低。對于不顯著的消磁來講，只要它對發電機的輸出功率、效率及性能其它方面無害，就可以被允許。這個不顯著的消磁的容許程度取決于發電機的設計概念或其容量。
例如，在上面剛剛描述過的勵磁線圈—永久磁鐵結合型的發電機中，如果一個拿掉永久磁鐵的發電機和一個帶有永久磁鐵的發電機在相同的運轉條件下(包括勵磁電流和轉速)檢測到二者的輸出電流相差5％或更多的話，就被認為是永遠消磁了。
為防止永遠消磁而對電流進行的限制隨著永久磁鐵的材料、形狀和溫度面改變。
按照本發明的另一個特征，該發電系統還包括用于檢測一個與永遠消磁有關的指示的裝置。限流單元按照該指示限制電流。
檢測可能引起永遠消磁的因素，以便對電流進行限制。所以，如果檢測到的量可能引起永遠消磁，就對勵磁電流進行限制。否則，按最大水平提供勵磁電流。所以，線圈的效率不會因限制電流而有所降低。
按照本發明的另一個特征，檢測指示的裝置包括用來檢測永久磁鐵溫度的裝置，當溫度降低時，限流單元就減小勵磁電流。
所以，勵磁電流是按照就久磁鐵的B-H曲線的變化規律來控制的，這樣就能保證防止永遠消磁。
例如，在一臺可能在高于環境溫度的溫度下使用的發電機中，對電流的限制在低于60℃的溫度下進行。這個溫度也能被選為低于0℃或-20℃。對電流進行限制給沒有電流限制的在溫度相對高得多的溫度下工作的發電機提供了經常的使用(無電流限制)，它允許使用缺氧體永久磁鐵。
按照本發明的另一個特征，檢測指示的裝置包括用于檢測裝在發電機中的穩壓器的溫度的裝置。
按照本發明的另一個特性，檢測指示的裝置包括檢測發電機發電后所經歷的時間的裝置。永久磁鐵的溫度可以在把上述經歷時間考慮進去的情況下，根據除永久磁鐵外的其它部分的溫度而估算出來。
按照本發明的另一個特征，用于檢測指示的裝置包括用于檢測發電機的輸出電流的裝置。當輸出電流增加到可能會引起永遠消磁的水平時，限流單元就減少勵磁電流。即對一個與輸出電流有關的量進行檢測以便能估算出外部磁場的強度，進而決定有無限流的必要性及需對勵磁電流進行限制的量。
按照本發明的另一個特征，檢測指示的裝置包括用來檢測發電機轉速的裝置，當轉速增加時，限流單元就減少勵磁電流。
按照本發明的另一個特征，限流單元把勵磁電流限制在發電機在最高工作溫度下工作時的最大勵磁電流的范圍內。
在一個能在很大范圍的環境溫度下工作的車載發電機中，對勵磁電流進行控制以便控制輸出功率或轉矩。例如，當一個冷勵磁線圈的電阻減少時，勵磁電流就會增加。為了阻止轉矩過大，就得把勵磁電流限制在發電機的最大工作溫度的電流以內。
按照本發明的另一個特征，限流單元包括一個按照指示對勵磁電流進行通斷控制的開關。
通過一個簡單的結構，就可以把勵磁電流限制在一個想要的水平上，并且由通斷控制引起的勵磁電流的脈動會在一個短時間內加熱轉子極。其結果是，永久磁鐵被緊密地與轉子的極安在一起，并且是熱連接的，這樣永久磁鐵能在短時間內加熱。
按照本發明的另一個特征，穩壓器包括上述開關并通過控制上述開關的占空比來把發電機的輸出電壓控制在一個預設值上，檢測指示的裝置對勵磁電流和開關的占空比進行檢測，限流單元根據上述占空比把勵磁電流限制在一個能防止永遠消磁的勵磁電流的量上。
開關的占空比被當作關于磁鐵溫度的指示而采用。換句話說，永久磁鐵的溫度與轉子有緊密的關系。由于轉子的溫度與上述占空比有緊密關系，所以就不需要特殊的溫度檢測器了。
按照本發明的另一個特征，限流單元根據勵磁電流的增長速率來限制占空比的增長速率。
所以，占空比可以被用來估算永久磁鐵的溫度。
按照本發明的另一個特征，用于檢測指示的裝置包括當開關接通時檢測勵磁線圈的電壓降的裝置，和限流單元按照根據占空比、勵磁電流和電壓降估算出來的溫度對勵磁電流進行限制。
勵磁線圈的溫度根據它的占空比、勵磁電流及電壓降來估算。
按照本發明的另一個特征，所估算的溫度越低，限流單元減少的勵磁電流的量越多。
按照本發明的另一個特征，一個發電系統包括一個發電機，該發電機包括一個永久磁鐵、一個電樞線圈、一個把電樞線圈的電流限制在某個不致引起永遠消磁的允許量內的限流單元。
當電樞線圈的電流增加到一個預定量時，該電流就被限制到一個不致引起永久磁鐵永遠消磁的量內。
通過研究下面的詳細說明、附加的權利要求和附圖，就會搞清楚本發明的其它目的、特性和特征以及相關部分的功能，在附圖中

圖1所示的是一個發電機主要部分的截面的側視圖，該發電機是根據本發明的第一實施例；圖2所示的是說明圖1中發電機主要部件的透視圖；圖3所示的是一個根據上述第一實施例的發電系統的電路圖4所示的是一個根據本發明的第二實施例的發電系統的電路圖；圖5所示的是一個根據本發明的第三實施例的發電系統的電路圖；圖6所示的是圖5中所示的微型計算機的操作流程圖；圖7所示的是一個根據本發明的第四實施例的發電系統的電路圖；圖8所示的是一個根據本發明的第五實施例的發電系統的電路圖；圖9所示的是微型計算機的操作流程圖；圖10所示的是反映開始發電后所經過的時間、臨界消磁電流與在不同環境溫度下要提供給勵磁線圈的最大勵磁電流之間的關系的曲線圈；圖11所示的是反映開始發電后所經過的時間、臨界消磁電流IFcr與發電機在不同的轉速下要提供給勵磁線圈的最大勵磁電流IFmax之間的關系的曲線圖；圖12所示的是反映按照第五實施例的發電機在不同的環境溫度下，轉速與最大輸出電流之間關系的曲線圖；圖13所示的是一個按照本發明的第六實施例的發電系統的電路圖；圖14是第六實施例的微型計算機的操作流程圖；圖15所示的是一個反映一個晶體管的門限控制電壓與一個在按照第六實施例的發電系統的運行中的勵磁線圈的電壓降之間的關系的時序圖；圖16所示的是反映占空比、在不同溫度下未經控制的勵磁電流與被控制在臨界消磁電流以內的勵磁電流之間的關系的曲線圖；圖17是第七實施例中的微型計算機操作的流程圖；圖18是一個反映按照第七實施例的發電系統的占空比D與勵磁電流隨勵磁線圈的溫度變化之間的關系的曲線圖；以及圖19是反映按照第七實施例的發電系統的鐵氧體磁鐵的溫度與勵磁電流的臨界消磁值之間關系的曲線圖。
下面描述本發明的各優選實施例。
(第一實施例)參照圖1-3，我們來說明一個包含有一個按照本發明的第一實施例的發電機的電池充電系統。首先參照圖1和2來說明一個由車輛引擎驅動的車載發電機1。
車載發電機1是一個三相同步交流發電機，它包括一個帶有一個電樞(或定子)線圈6的定子芯200和一個安在定子200內的轉子201。轉子201包括一個旋轉軸202、一對鐵芯203和204(沿軸向并排安在軸202上)和一個繞在鐵芯203和204中心的勵磁線圈7。從前鐵芯203伸出許多爪形極205，它們等間隔地分布在勵磁線圈7的圓周上。從后鐵芯204上也伸出許多爪形極206，也等間隔地分布于勵磁線圈7的圓周上。當給勵磁線圈7通上電時，爪形極205就充上磁，形成N極，爪形極206被充上磁，形成S極。
爪形極205和206被交錯安置，一種爪形極正好位于另一種爪形極沿圓周間距的一半處。在相鄰的每個爪形極205和206之間，都裝有一個永久磁鐵8，它們被用環形固定片207固定住。永久磁鐵8與爪形極205相鄰的那一邊被磁化形成N極，而它與爪形極206相鄰的那一邊被磁化形成S極。在本實施例中，永久磁鐵8是由鐵氧體磁性材料制成的。給勵磁線圈7加的電流由一個MOS管15控制，電樞線圈6中產生的電壓由一個穩壓器9穩壓后供給一個電池4和一個電負載5。
參考數字2代表一個穩壓器，它包括一個勵磁線圈驅動電路2a、一個電壓穩壓電路26、一個防消磁電路2c和一個參考電壓生成電路2d。穩壓器2把輸出電壓穩壓到一個適當的值，使之能通過勵磁電流的通斷來給電池充電。
勵磁線圈驅動電路2a由一個N通道功率MOS管15、一個勵磁電流檢測電阻16和一個續流二極管23構成。MOS管15的漏極與穩壓器9的輸出端相連，其源極通過電阻16和勵磁線圈7接地。
穩壓電路26包括一個由電阻11和12串聯而成的串聯電路，在它們的連接處，該電路提供了一個電池電壓的分壓，還包括一個比較器13，它把該電池電壓的分壓與一個參考電壓Vref1進行比較并通過與門14給MOS管15送出一個結果信號。如果與門的另一輸入端有一個高電平信號，MOS管15就會受到比較器13的通斷控制，進而控制勵磁電流，使電池電壓的分壓能夠與參考電壓Vref1相等。
參考電壓生成電路2d是一個恒壓電路，它提供參考電壓Vref1、Vref2、和Vref3，后面將對它們進行說明。
防消磁電路2c包括一個勵磁電流限制電路、一個高轉速檢測電路(后面要說明)、一個或門22和一個與門14。
勵磁電流限制電路由一個差分放大器17、一個二極管18、一個由電容器19和電阻20組成的并聯電路和一個比較器21構成。差分放大器17對勵磁電流檢測電阻16上的電壓降進行放大，并且把一個與勵磁電流成比例的峰值電壓通過二極管18加到電容器19上。在與勵磁電流成比例的電壓減小后，電容器19通過電阻20放電。二極管18、電容器19和電阻20構成一個保持輸入電壓的保持電路。
比較器21把電容器19的端電壓(即與勵磁電流成比例的電壓)與參考電壓Vref3進行比較，如果與勵磁電流成比例的電壓高于參考電壓Vref3(勵磁電流大于預定值)，比較器21就通過或門22給與門14加上一個低電平信號。
高速檢測電路有一個包含由波形逆變器24構成的f-v轉換器、一個電容器25、一個二極管26、一個電容器27、一個電阻28和一個比較器29。在電樞線圈6的一個相位端生成的電壓被帶有一個門限值的逆變器24變為一種被進二制編碼的脈沖信號波形。電容器25對該脈沖信號進行微分，這樣該信號的上升沿和下降沿就被轉變為正脈沖信號和負脈沖，并且只有正脈沖信號才能通過二極管26加到一個由電容器27和電阻28組成的濾波電路上，該濾波電路給比較器29加上一個已穩壓的直流電壓。
電容器27的電壓與發電機的轉速成比例，比較器29把這個電壓與參考電壓Vref2進行比較。如果電容器27的電壓高于參考電Vref2，則比較29就給或門22加上一個低電平信號，如果該電壓比參考電壓Vref2低，則比較器29就給或門加上一個高電平信號。當勵磁電流一定時，電容器27的電壓或發電機的轉速與定子線圈6的輸出電流有一個正的關系。
當發電機的轉速和勵磁電流都超過預設值時，或門22就給與門14加上一個低電平信號。換句話說，如果勵磁電流和輸出電流都變得高于或大于它們的預設值，MOS管15就被關掉，以限制勵磁電流；如果勵磁電流和輸出電流二者中的一個超過上述與之對應的預設值，與門14就被加上一個高電平信號，這樣勵磁電流就可以完全控制在導電率為0％到100％之間，以把電池電壓調整到一個合適的水平。
正如前面所描述的，如果勵磁電流超過某與參考電壓Vref3相對應的預設值，以及如果與轉速相關的最大輸出電流超過某與參考電壓Vref2相對應的預設值時，就對勵磁電流進行控制，使之不超過上述預設值。參考電壓Vref2和Bref3按如下設置。
永久磁鐵8的永遠消磁程度與消磁場的強度有關，換句話說，就是與發電機在環境溫度下的輸出電流和勵磁電流有關。參考電壓Vref3所設的值與發電機不致引起永遠消磁的最大勵磁電流相對應，參考電壓Vref2所設的值與發電機的某個轉速相對應，在該轉速時，帶有上述勵磁電流的發電機的最大輸出電流不致引起永遠消磁。
如果發電機的轉速低，則輸出電流就小，永久磁鐵8就不會遇到能使它永遠消磁的磁場強度，所以勵磁電流和輸出電流就可以不加限制地分別加給勵磁線圈和電負載5。另一方面，如果發電機的轉速超過某預設速度，因而輸出電流增大到足以引起永久磁鐵8永遠消磁的程度時，就把勵磁電流減小到甚至在環境溫度下的最大輸出電流時也不會引起永遠消磁的程度，而隨著勵磁電流的降低，上述最大輸出電流也會減小。
如果不對勵磁電流和輸出電流進行控制，或環境溫度異常的話，永久磁鐵8可會被永遠消磁。上述電流控制會降低設計永久磁鐵8時的自由度。
永久磁鐵8最好是由鐵氧體磁性材料制成的。這種由鐵氧體磁性材料制成的磁鐵將在-40℃到200℃的溫度范圍內使用，而它通常是在低于零度或零下20℃的低溫下失去磁性的。本發明的實施例提供了一種通過調整電流常數(參考電壓Vref2和Vref3)實現的對電流的簡單控制，以便防止永遠消磁。
(第二實施例)下面參照圖4來說明另一個實施例。
本實施例的電路與第一實施例基本相同，只是用防消磁電路2e代替防消磁電路2c。
防消磁電路2e由一個溫度檢測電路、一個高速檢測電路、一個檢測發電開始后所經過的時間的電路(以后稱時間檢測電路)、一個振蕩電路104、一個或門105和一個與門14構成。
溫度檢測電路有一個連接二極管102，其負極接地，而正極則接著一個恒壓源。正極電位與溫度有一種相反的關系，并被比較器103把它與一個參考電壓Vref4相比較。當二極管102加熱到一定溫度后，其正極電位變得低于參考電壓Vref4時，比較器103就給或門105加一個高電平電壓。包括二極管102的穩壓器2被安在發電機1的外殼上。如果發電機1開始發電，永久磁鐵8被轉子的鐵損與銅損加熱了一陣后，二極管102的溫度就增加了，這樣比較器103的輸出信號就由低電平變為高電平。其結果是，二極管102檢測永久磁鐵8的溫度時有個延遲。
高速檢測電路的結構和操作與第一實施例中的相同，故略去對其的說明。
時間檢測電路包含一個比較器106，它把高速檢測電路中的電容器27的電位與一個參考電壓Vref5相比較。比較器106的輸出端通過一個由電阻107和電容器108構成的串聯電路接地。電阻107和電容器108構成一個積分電路，電容器108的高電位端給或門105加上一個比較器106輸出電壓的積分值。該積分電路是一個延時電路。如電容器27的電壓變得高于參考電壓Vref5，比較器106就電容器108充電，判斷為發電開始。電容器108給或門105加上一個低電平信號，直到經過一個特定的延遲時間后，再給或門105加上高電平信號。
振蕩器104以預定的周期給或門105加上一矩形脈沖。或門105只有在比較器103、29和電容器108都給與門105送低電平時，才給與門14加上上述矩形脈沖。其結果是，既便比較器13提供了一個高電平信號，MOS管15的占空比仍由該矩形脈沖決定。
總之，為了使或門105能夠限制勵磁電流，當二極管102檢測到永久磁鐵8的溫度低于一個預設值時，比較器103就提供一個低電平信號(勵磁電流限制信號)；當發電機的轉速可能使其輸出電流超過一個預設值時，比較器29就提供一個低電平信號(勵磁電流限制信號)；并且電容器108在開始發電后經過特定時間的延時后也提供一個低電平信號(勵磁電流限制信號)。
換句話說，在本實施例中，只有當由二極管102檢測到永久磁鐵8的溫度低于一個預設值(如低于發電前的溫度)，并且轉速高于一段預設速度，使得輸出電流會超過一個預設的量時，還得在開始發電后，經過一段預設的時間后，勵磁電流才被限制。
在本實施例中，二極管102的電壓和電容器108的電壓與永久磁鐵8的溫度有關，或門105的門限電平是判斷電容器108的電壓的電平(一個當輸出電流和勵磁電流為最大時，不致引起永遠消磁的電壓電平)。
按照本實施例，在發電后的一段時間內，只有當二極管108的溫度為低(即上次操作后的溫度足夠長)，且轉速高于一個預設值(此時輸出電壓會超過一個預設值)時，才對勵磁電流進行限制。所以，只有永遠消磁可能發生時，才進行流控。這樣就可以實現更頻繁的滿功率運轉，而且不必為能在冷天氣下運作而特別設計永久磁鐵。
由電阻107和電容器108的構成的延遲電路所提供的延遲時間被設定為1-2分鐘，在這段時間中，由缺氧體磁性材料制成的永久磁鐵因鐵損和銅損而變熱的程度不需要對電流進行模擬。
參考電壓Vref4與二極管的溫度20℃相對應。當永久磁鐵8的溫度在這個溫度左右時，不管延時電路為什么信號，都不對勵磁電流進行限制。
設置參考電壓Vref5的值的依據是要根據該值能判斷轉速是等于一個預設的速度還是等于發電開始時的速度。
(第三實施例)
下面參照圖5和6來說明第三實施例。在本實施例中，穩壓器2的主要部分由一個微型計算機300、一個多路復用器301、一個A/D轉換器302和一個CMOS逆變器303構成，永久磁鐵8由釹磁性材料制成。
溫度檢測電路與第一實施例一樣，由電阻101和二極管102串聯構成。溫度檢測電路的輸出電壓經多路復用器301和A/D轉換器302接入到微型計算機300上，同時接入的還有電阻11和12構成的電池電壓的分壓電路的輸出電壓(或電池電壓)Vb以及一個相位端的電池V。
下面參照圖6所示的流程圖來說明微型計算機300的操作過程。
在步驟S100中，讀取發電機電壓V、電池電壓Vb和溫度T。多路復用器301響應微型計算機300送來的選通信號，在一個短時間內送給微型計算機300代表發電機電壓V、電池電壓Vb和T溫度的數字信號。步驟S100可以被添加作為一個在短時間內被有規律地執行的中斷程序，發電機電壓、電池電壓和溫度的三個平均值可以通過順序得到的信號計算出來。由此也可以減少高頻噪聲。
在下一步驟S102中，通過發電機電壓V和電池電壓Vb來計算輸出電流。
更詳細地說，發電機電壓V被電阻11和12分壓后得到一個分壓(以后就稱之為發電機電壓V)。發電機電壓V與電池電壓Vb的差(V-Vb)與穩壓器9的高邊二極管(high-side diode)的電壓降與如果發電機電壓的值(如0.65V)大于電池電壓時線310的電壓降二者之和相等。差值(V-Vb)與發電機1的輸出電流緊密相關。這個關系被預先存在一個存儲器中，以便根據差值(V-Vb)獲得輸出電流。
在下一步驟S104中，根據溫度T和輸出電流I得出MOS管15的占空比。
如果由輸出電流I和勵磁電流IF產生的反磁場強度超過了永久磁鐵8的臨界消磁強度，就會被永遠消磁，上述臨界消磁強度隨溫度而變化。所以，輸出電流I、溫度T和對應于能引起永遠消磁的勵磁電流的MOS管15的最大占空比Dmax三者間的關系就預先被作為一張表存在一個存儲器中。這樣最大占空比Dmax就可根據輸出電流I和溫度T來獲得。
在步驟S106中，檢查電池電壓Vb是否低于參考電壓Vref1，如果結果為YES，就設置占空比D小于Dmax’(它等于Dmax-ΔD)；否則，占空比就被設置為0，且該占空比在步驟S112中被加到一個寄存器(圖中未畫出)中。ΔD按照一個測試結果來設置。微型計算機300給MOS管15的門加上一個帶有占空比D的PWM信號。
由此就能實現對勵磁電流的控制，使受控的勵磁電流小于臨界消磁電流。
本發明可以用到一個串勵式發電機上，在該發電機中，永久磁鐵的極和勵磁線圈的極被沿軸向并排著裝在一起，這樣兩種類型的極所產生的磁通量就可以把一個公共的電樞線圈分別地鏈接起來。
在串勵式發電機中，對勵磁電流進行限制，以便改變輸出電流，進而限制會使永久磁鐵永遠消磁的外磁場。
發電機的輸出電流可以被直接檢測，并且可以被控制在一個不致引起永遠消磁的水平上。
對永久磁鐵8的溫度進行檢測和估算，以便限制勵磁電流或輸出電流。
上述各實施例可以與另一個限制電流的裝置相結合，諸如把勵磁電流限制在一個從熱擊穿來講是最大的電流內或限制勵磁電流的涌流。
(第四實施例)下面參照圖7來說明第四實施例。
本實施例是要通過限制一個永久磁鐵發電機的輸出電流來防止該發電機中永久磁鐵被永遠消磁。參考數字300a代表一個防止消磁的電路。
永久磁鐵發電機的電樞線圈6的輸出電流被一個三相全波穩壓器穩壓后，通過一個NPN發射極跟隨器晶體管301a及一個反向電壓保護二極管302a提供給電池4和電負載5。
參考數字303a-306a代表對上述二極管的電壓降進行分壓的電阻。上述電壓降的分壓經一個差分放大器307a放大后，由一個比較器308a把它與一個參考電壓Vref6相比較。比較器308a的輸出經一個RC低通濾波器309a加到一個發射極接地的晶體管310a的基極上，上述濾器309a對上述308a輸出穩定作用，以便晶體管310a能控制晶體管301a的導通與截止。晶體管301a的基極電流被通過一個電阻311a來提供。參考數字312a和313a代表用來設置將要運作的晶體管的電阻。一個恒壓電路2d給差分放大器307a和比較器308a提供一個恒定電壓的電能。
二極管302a的電壓降與輸出電流Ia有關。如果二極管302a的電壓降超過了一個預設的與參考電壓Vref6相對應的值時，比較器308a就提供一個低電平信號。參考電壓Vref6是預先決定的，使得輸出電流不會超過一個會引起永遠消磁的值。由此，晶體管310a就導通，而晶體管301a截止，使輸出電流Ia中斷一段時間，這個時間由低通濾波器309a決定。
這樣，既使電樞線圈6的磁通勢與永久磁鐵的矯頑磁力相比是很大的，或者即使由于某些故障諸如短路等引起的大電流流過，也能防止永遠消磁的發生。
在上述電路中，低通濾波器309a可以省掉。如果三相全波穩壓器9中的某些或全部二極管都被操作能代替晶體管301a執行開關作用的晶體管的話，則晶體管301a和二極管302a也可省掉。
通過檢測永久磁鐵8的溫度和輸出電流Ia對輸出電流Ia進行限制是有可能的。
(第五實施例)下面結合圖8-12來說明另一個實施例。
在本實施例中，圖5中所示的某些部分被改變了。一個與被電容17檢測的勵磁電流相對應的電壓、一個與轉速相對應的電容器27的電壓、一個與溫度相對應的二極管102的電壓降被一個前面已參照圖3和4說明過的電路通過多路復用電路301b和A/D轉換器302接入到微型計算機300上。微型計算機300通過逆變器303來控制MOS管15，進而以通斷方式控制勵磁電流。
下面參照圖9所示的流程圖來說明微型計算機300的操作過程。
在步驟S200中，讀取電池民電壓Vb、溫度T、發電機的轉速Na和勵磁電流IF。
在下一步驟S202中，把T溫度和轉速Na與一張已被預先存起來的表相對照，以便能獲得一個可允許的最大勵磁電流IFmax，該IFmax小于一個在上述溫度T和轉速Na會引起永遠消磁的臨界消磁電流Ifcr。
在下一步驟S204中，把勵磁電流IF與最大可允許勵磁電流IFmax相比較。如果上述勵磁電流IF大于最大可允許勵磁電流IFmax，則用于以PWM方式控制勵磁電流的晶體管15的占空比就會被降低到一個預設的值，而不論電池電壓Vb的值是多少(S210)。否則，把電池電壓Vb與一個參考電壓Vref1相比較(S206)。如果電池電壓Vb高于參考電壓Vref1，則減小占空比D(S210)。否則占空比D就被增加(S208)。
上述程序被重復執行，以便把勵磁電流(小于最大允許勵磁電流IFmax)維持在一個在溫度T和轉速Na下不致引起永遠消磁的水平內。其結果是，勵磁電流IF可以隨著最大可允許勵磁電流IFmax的改變而改變，這樣通過最終對勵磁電流IF的控制就可以防止消磁的發生。
圖10所示的是一幅當轉速為3000rpm(為一常數)，環境溫度被分別設為25℃、-20℃和-40℃時，顯示發電開始(開關接通時)后所經過的時間t與最大可允許勵磁電流IFmax以及臨界消磁電流IFcr之間關系的曲線圖。永久磁鐵8由鐵氧體磁性材料制成。一條粗虛線和一條粗點劃線分別表示了在環境溫度為-20℃和-40℃時被上述操作所限制的最大可允許勵磁電流。
圖11所示的是一幅當轉速Na分別為1500rpm和3000rpm，溫度T為-40℃時，顯示發電開始后所經過的時間t和最大可允許勵磁電流IFmax以及臨界消磁電流IFcr之間關系的曲線圖。永久磁鐵8由鐵氧體磁性材料制成。一條粗虛線和一條粗點劃線分別代表在轉速為1500rpm和3000rpm時被上述操作所限制的最大可允許勵磁電流Ifmax。
因為永久磁鐵8在發電機1運轉后是逐漸被加熱的，所以在開始運轉后的一段時間里，勵磁電流是不用控制的。
如在圖10和11中所示，最大可允許勵磁電流IFmax在溫度較高的范圍內，其值變得更大，如果在冷溫度下的勵磁電流能被限制在最大可允許電流IFmax之內，則永久磁鐵8的尺寸就可以更小，或發電機1的輸出功率可以增大得更多。甚至當勵磁電流被勵磁電流限制電路控制時，勵磁電流IF也足夠使發電機1在空載速度下給電池S充電。在發電機1開始運作后的很短幾分鐘內，其輸出功率會迅速地增加。勵磁電流(IF在圖10和11的右邊就等于IFmax會隨著時間而逐漸增加，如圖10和11所示，因為勵磁線圈的電阻會隨著溫度的上升而增加。
圖12所示的是發電機轉速Na和最大輸出電流Imax之間的關系。
曲線L1表示當溫度為25℃，且已達到了永遠消磁控制時，轉速Na和最大輸出電流Imax之間的關系；曲線L2表示當溫度為-20℃，且已進行了永遠消磁控制時，轉速Na和最大輸出電流Imax之間的關系；曲線L3表示當溫度為25℃，但未進行永遠消磁控制時，轉速Na和最大輸出電流Imax之間的關系；而曲線L4則表示當溫度為-20℃，但未進行永遠消磁控制時，轉速Na和最大輸出電流Imax之間的關系。
從圖12可以明白，不進行永遠消磁控制以便防止消磁的發生的曲線L4是不會高于曲線L2的。
這就是說，一個發電機不進行永遠消磁控制的輸出電流要小于進行控制的輸出電流，因為隨著永久磁鐵溫度的上升，最大可允許勵磁電流是不會增加的。換句話說，如果把在冷溫度下，沒有控制的發電機的勵磁電流設置得如有控制的發電機的勵磁電流一樣大，則永久磁鐵就可能會被消磁，因而輸出電流也會大大減少。沒有控制的發電機的輸出電流還會因溫度升高和勵磁線圈電阻的增大而減少。
(第六實施例)下面參照圖13來說明本發明的第六實施例。
在本實施例中，圖8所示的第五實施例中的溫度檢測二極管102、電阻101、檢測轉速的逆變器24、電容器25和27，二極管26和電阻28都被省去。永久磁鐵8由鐵氧體磁性材料制成。
下面參照圖14所示的流程圖來說明這個電路的操作過程。
在步驟S301中執行初始設置，把晶體管15的占空化設為25％。接著在步驟S302中讀取電池電壓Vb。使晶體管15能進行PWM控制的載頻、晶體管15的門控電壓Vc的頻率以及勵磁線圈驅動電壓Vr三者都要足夠高，以使能跟上如圖15中所示的勵磁電流IF的變化，占空比D的值被設置為一個即使在溫度為-40℃時勵磁電流不致引起永遠消磁的值。
在下一步驟S303中，根據電池電壓Vb和參考電壓Vref之間的差與一個常數K1的乘積來計算占空比的第一補償值ΔD1。接下來從預先存儲的一張表中選出與當前占空比D相對應的最大可允許勵磁電流(S304)。
下面說明上述表的占空比D和最大可允許勵磁電流之間的關系。
勵磁電充的平均值IF、最大(未經控制的)勵磁電流IF’max勵磁線圈的電壓降Vr、勵磁線圈(銅線)的電阻r、勵磁線圈在溫度為20℃時的電阻ro、溫度t之間存在著以下關系IF/D＝IF’max＝Vr/rr＝ro·(234.5+t)/(234.5+20)鐵氧體磁鐵的溫度與最大可允許勵磁電流IFmax之間的關系可表達如下IFmax＝0.06·t+4.18安培(A)IFmax＝(15.27/ro·Vb·D)+(9.27/2)2-9.27/2安培(A)即，被控制的勵磁電流被按照一個占空比D的線性函數給出。
比較器17檢測當前勵磁電流IF(S305)并把它與最大可允許勵磁電流IFmax相比較(S306)。如果當前勵磁電流IF大于最大可允許勵磁電流IFmax，就在步驟S307中根據一個常數K2與差值(IF-IFmax)的乘積來計算占空比的第二補償ΔD2接著執行步驟S309。否則就從占空比D中減去第一補償ΔD1以便減少勵磁電流IF(S308)。
在步驟309中，對第一和第二補償值ΔD1和ΔD2進行比較，選出較大者，它將從占空比D中減去，這樣就能獲得控制晶體管15的下一個占空比(S310)。
由此，就可以根據當前占空比D(S304)精確計算出在不同溫度下的最大可允許勵磁電流Ifmax。
如果當前勵磁電流大于最大可允許勵磁電流IFmax，就把第一和第二補償值ΔD1和ΔD2中的較大者從當前占空比D中減去。第一補償值是一個與電池電壓Vb和參考電壓Vref之差相對應的數值，第二補償值ΔD2是一個與勵磁電流IF和最大可允許電流Ifmax之差相對應的值。
輸出電壓總是被穩壓為標準的電池電壓，而不管勵磁是否被控制到了最大可允許勵磁電流Imax之內。
圖16是一個顯示占空比D和在不同溫度下的實際勵磁電流以及最大可允許勵磁電流IFmax之間關系的曲線圖。這里，勵磁線圈的電壓降Vr為12V，它在溫度為20℃時的電阻為200歐姆。
(第七實施例)下面參照圖17來說明本發明的另一個實施例。
本實施例的主要特征體現在步驟S401-S403中，它們替代了圖14中的步驟S304，在S304中，只根據占空比D來計算最大可允許勵磁電流。
這就是，勵磁線圈的電阻r根據以下表達式算出(S401)r＝Vr/IF/D勵磁線圈(由銅線制成)的溫度可根據它的當前電阻r和它在溫度為20℃時的電阻ro標出(S402)。因而，電阻值按以下表達式得到r＝ro·(234.5t)/(234.5+20)
通過在一張存在存儲器中的反映鐵氧體磁鐵的溫度與最大可允許勵磁電流Imax之間的關系的表中查找在步驟S402中得到的勵磁線圈的溫度t(或轉子溫度)，就可以從該表中讀取最大可允許勵磁電流。
通過一個簡單的步驟，就可以根據勵磁線圈的電阻決定最大未控制勵磁電流IF’max。
圖18是一個顯示占空比D與勵磁線圈處于不同溫度時的勵磁電流之間的關系的曲線圖，其中勵磁線圈的電壓降為12V，它在溫度為20℃時的電阻為2.3ohm。
圖19是一個顯示鐵氧體磁鐵的溫度與最大可允許勵磁電流之間關系的曲線圖。
在前面對本發明的說明中，已經參照著具體的實施例對本發明進行了說明。然而，很明顯，在本發明的具體實施例中，會有一些不同的、不背離本發明的載于附加的權利要求中的基本精神和范圍的修改和改變。所以，本文件中的說明應當被看作是說明性的，而不是限定性的。
權利要求
1.一個發電系統包括一個發電機(1)，它包括第一裝置(7，8)，該裝置提供一個其中有一個永久磁鐵(8)的磁場及一個電樞線圈(6)；及一個第二裝置(圖3中的2c，圖4中的2e)，用來把上述磁場控制在一個不致引起上述永久磁鐵(8)永遠消磁的量內。
2.如權利要求1中所述的發電系統，其中上述第一裝置(7，8)還包括一個勵磁線圈(7)，和上述第二裝置包括用來檢測與上述永久磁鐵的上述永遠消磁相關的指示的第三裝置(16-21，24-29)和一個電流限制單元(14，15，105)，它被用來根據上述指示對提供給上述勵磁線圈(7)的勵磁電流進行限制。
3.如權利要求2的發電系統，其中上述第三裝置(16-22，24-29)包括用來檢測上述永久磁鐵(8)的溫度的裝置(102，103)，和上述電流限制單元(14，15，105)當環境溫度變低時減小上述勵磁電流。
4.如權利要求3的發電系統還包括一個穩壓器，其中上述第三裝置(16-21，24-29)包括檢測安在上述發電機(1)上的穩壓器的溫度的裝置。
5.如權利要求3的發電系統，其中上述第三裝置(16-22，24-29)包括檢測上述發電機(1)開始發電后所經過的時間的裝置(圖4中的106-108)。
6.如權利要求5中的發電系統，其中上述永久磁鐵(8)被安在上述勵磁線圈(7)所產生的磁場中。
7.如權利要求6的發電系統，其中上述永久磁鐵(8)被安裝的目的是要用來提高鏈接上述電樞線圈(6)的有效磁通量。
8.如權利要求6的發電系統，其中上述第三裝置(16-22，24-29)包括檢測提供給上述勵磁線圈(7)的電流的裝置(300)。
9.如權利要求1中的任意一項的發電系統，其中上述永久磁鐵(8)給上述電樞線圈(6)提供有效磁通量。
10.如權利要求6的發電系統，其中上述第三裝置(16-22，24-29)包括檢測上述發電機(1)的輸出電流的裝置(302a)，和上述限流單元(14，15，105)當上述輸出電流增大時減小將要提供給上述勵磁線圈(7)的上述電流。
11.如權利要求10的發電系統，其中上述第三裝置(16-22，24-29)包括檢測上述發電機(1)的轉速的裝置(24-29)，和上述限流單元(14，15，105)當上述轉速增大時減小將要提供給上述勵磁線圈(7)的電流的量。
12.如權利要求1的發電系統，其中上述發電機(1)是一個車輛用交流發電機。
13.如權利要求1的發電系統，其中上述限流單元(14，15，105)把將要提供給上述勵磁線圈(7)的電流限制在一個在高溫條件下運轉的發電機(1)的最大勵磁電流以內。
14.如權利要求2的發電系統，其中上述限流單元(14，15，105)包括一個開關(15)，用來根據上述指示對上述勵磁電流進行通斷控制。
15.如權利要求14的發電系統還包括一個穩壓器，其中上述穩壓器(2a，2b)包括上述開關(15)，還通過控制上述開關15的占空比來把上述發電機(1)的輸出電壓控制到一個預設值；上述第三裝置(16-22，24-29)檢測上述勵磁電充和上述占空比；和上述限流單元(14，15，105)按照上述占空比把上述勵磁電流限制在一個能防止永遠消磁的上述勵磁電流的最大值以內。
16.如權利要求15的發電系統，其中上述限流單元(14，15，105)把上述占空比的增長速度限制在一個上述勵磁電流的增量以內。
17.如權利要求15的發電系統，其中上述永久磁鐵(8)是由在低溫下失去磁性的材料制成的。
18.如權利要求15的發電系統，其中上述限流單元(14，15，105)根據上述占空比和上述勵磁電流來限制上述勵磁電流。
19.如權利要求18的發電系統，其中上述檢測一個量的裝置包括用來當上述開關接通時檢測上述勵磁線圈(7)的電壓降的裝置，和上述限流單元(14，15，105)按照從上述占空比計算出的溫度、上述勵磁電流和上述電壓降來限制將要提供給上述勵磁線圈(7)的上述電流。
20.如權利要求9的發電系統，其中上述永久磁鐵(8)是由在低溫下失去磁性的材料制成的，和當上述所計算出的溫度越低時，上述限流單元(14，15，105)就把上述勵磁電流減少得越多。
21.如權利要求17的發電系統，其中上述勵磁電流被設置為一個在最低使用環境溫度下也不會使永久磁鐵(8)永遠消磁的量，并且上述發電機(1)以一個預設的轉速產生輸出電流。
22.如權利要求21的發電系統，其中上述預設轉速是上述車輛引擎的空載轉速。
23.如權利要求17的發光系統，其中上述勵磁電流小于上述發電機(1)在最高運行溫度下的最大勵磁電流。
24.如權利要求15的發電系統，其中上述限流單元(14，15，105)對上述占空比的增長速率進行限制，以便能防止因從上述勵磁線圈(7)到上述永久磁鐵(8)的熱傳導的延遲而引起的永遠消磁。
25.一個發電系統包括一個具有一個永久磁鐵(8)和一個電樞線圈(6)的發電機(1)，上述發電系統包括一個限流單元(14，15，105)，用來把電樞線圈(6)的電流限制在一個不致引起永遠消磁的可允許的量以內。
26.一個發電系統包括一個發電機(1)，它含有用于提供具有極(205、206)的磁場的第一裝置(7)、勵磁線圈和永久磁鐵(8)及電樞線圈(6)；及第二裝置(2c，2e)，用來控制所述的磁場處于一個不致引起上述永久磁鐵(8)永遠消磁的量內；上述第二裝置(2c，2e)包含一第三裝置(16-21，24-29)，用來檢測與上述永久磁鐵(8)的永遠消磁有關的指示，還包含一個限流單元(14，15，105)用來根據上述指示限制要提供給上述勵磁線圈(7)的勵磁電流；其中上述永久磁鐵(8)安裝在上述兩極(205，206)之間。
27.如權利要求26的發電系統，其中上述兩極(205，206)包括爪形極；所述的永久磁鐵(8)與上述勵磁線圈(7)并列安裝。
28.如權利要求27的發電系統，其中上述永久磁鐵(8)安裝在相鄰的兩個上述爪形極(205，206)之間。
29.如權利要求28的發電系統，其中上述第三裝置包括用來檢測上述永久磁鐵(8)的溫度的裝置；及上述限流單元(14，15，105)當上述溫度降低時減少上述勵磁電流。
全文摘要
一個由鐵氧體磁性材料制成且用于一個發電機(1)的永久磁鐵(8)可能會因某個因素諸如提供給一個勵磁線圈(7)的電流,永久磁鐵(8)的溫度和/或一個電樞線圈的輸出電流而永遠失去磁性。當勵磁電流超過某個預設值,并且輸出電流也超過某個預設值時,就要限制勵磁電流以防止出現永遠消磁。這樣,永久磁鐵(8)的永遠消磁可以被防止,同時還保證一個足夠量的輸出功率。當永久磁鐵(8)的溫度處在一個可能引起永遠消磁的范圍時,對勵磁電流或電樞電流進行限制也是有效的。
文檔編號H02P9/00GK1172375SQ97112439
公開日1998年2月4日 申請日期1997年6月5日 優先權日1996年6月5日
發明者前原冬樹, 高瀨康弘, 金沢和加子, 淺田忠利, 石川博章, 丸山敏典 申請人:株式會社電裝