低纹波输出电压的发电机的制作方法

1.本实用新型涉及发电机技术领域，特别涉及一种低纹波输出电压的发电机。


背景技术：

2.发电机的工作原理是：通过电机转子的转动，定子上的线圈的磁通量会周期性变化，根据法拉第电磁感应现象，线圈会感应出对应变化的电压，即产生了交流电。定子是电机静止不动的部分，通常是发电线圈。转子是电机中旋转的部分，通常是永磁体或者励磁线圈。转子的主要作用是产生旋转磁场，而定子的主要作用是在旋转磁场中被磁力线切割进而产生(输出)感应电压。
3.现有技术中的发电机一般为单相电机或三相电机(图2示意的为三相电机)，其输出的直流电压或者交流电压的纹波电压较大，当输出电压的有效值满足电芯要求时，输出电压的最大值严重超出电芯规格，会对电芯造成损坏。纹波电压是输出电压的波峰与波谷的差值。因此，现有技术中的发电机不能直接用来给电池充电，一般要外接直流充电器或者交流充电器给电池充电。例如图1，该方案为传统交流发电机与交流充电器的组合充电方式。电机转动产生交变电压，通过整流模块变成高压直流电压，再通过逆变模块产生110vac～220vac或380vac交流电，然后外接交流充电器对电池充电。
4.故需要提供一种低纹波输出电压的发电机来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种低纹波输出电压的发电机，以解决现有技术中的发电机输出的直流电压或者交流电压的纹波电压较大的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：
7.一种低纹波输出电压的发电机，用于对电池进行充电，所述发电机包括：
8.多相电机，用于产生多路交流电压；
9.整流模块，用于对所述多路交流电压进行整流操作，生成对应的直流低纹波电压；以及，
10.发电机输出端，用于输出所述直流低纹波电压，其包括正向输出端以及负向输出端；
11.其中，所述多相电机包括设置在所述多相电机外侧的定子以及设置在所述多相电机内部的转子；
12.所述定子的内侧均匀设置有n个线圈并联的绕组，所述转子包括对称设置的n磁极和s磁极；其中n为大于3的正整数；
13.其中，所述整流模块包括多个单向导通器件，其中所述单向导通器件与所述绕组一一对应；
14.n个所述绕组的线圈的一端与均所述负向输出端连接，n个所述绕组的线圈的另一端分别通过所述单向导通器件与所述正向输出端连接。
15.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，n为4-8。
16.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述定子包括轭部和齿部，所述轭部为两端开口的筒状结构，所述轭部的外径为150mm-300mm，所述轭部的内径为100mm-250mm，所述齿部沿所述轭部的径向凸出于所述轭部的内侧壁，所述齿部的宽度为10mm-20mm，所述齿部的长度为15mm-30mm，所述齿部的高度为10mm-20mm，多个所述齿部设置为中心对称，每个所述齿部上均缠绕有相同长度的线圈，形成所述绕组。
17.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述齿部朝向所述转子的表面设置为凹陷的圆弧面，所述转子朝向所述齿部的表面设置为凸出的圆弧面。
18.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述单向导通器件为快恢复二极管。
19.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述发电机还包括控制模块，其与所述多相电机、所述整流模块和所述电池均连接，所述控制模块通过读取所述电池的充电状态，从而动态调整所述多相电机和所述整流模块的输出电压和输出电流。
20.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述发电机还包括开关，其连接在所述整流模块和所述发电机输出端之间，所述控制模块根据所述电池的状态，控制所述开关的状态。
21.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述开关设置为mos开关或继电器开关。
22.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述发电机还包括滤波模块，其连接在所述整流模块和所述发电机输出端之间，所述滤波模块用于减小所述整流模块输出的所述直流低纹波电压的纹波。
23.本实用新型所述的低纹波输出电压的发电机中，所述滤波模块为lc型滤波电路或者π型滤波电路。
24.本实用新型相较于现有技术，其有益效果为：本实用新型的低纹波输出电压的发电机，其通过将多相电机设置为n个绕组，其中n为大于3的正整数，从而使得多相电机输出相位差较小的多路交流电压，再通过n个绕组的线圈并联，且n个绕组的线圈的一端均与负向输出端连接，n个绕组的线圈的另一端分别通过单向导通器件与正向输出端连接，因为相位的差异，绕组间可以进行电压互补，整流后便可输出可以直接给电池充电的直流输出电压，并产生直流低纹波电压。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅为本实用新型的部分实施例相应的附图。
26.图1为现有技术中的交流发电机与交流充电器的组合充电原理框图。
27.图2为现有技术中的三相电机的结构示意图。
28.图3为本实用新型的第一实施例的发电机的结构原理框图。
29.图4为本实用新型的第一实施例的发电机的整流模块的电路图。
30.图5为本实用新型的第一实施例的发电机的多相电机的结构示意图。
31.图6为本实用新型的第一实施例的发电机整流前的多路交流电压的示意图。
32.图7为本实用新型的第一实施例的发电机整流后的电压波形的示意图。
33.图8为本实用新型的第二实施例的发电机的结构原理框图。
34.图9为本实用新型的第二实施例的发电机的滤波模块的电路图。
35.图10为本实用新型的发电机配置方法的第一实施例的流程图。
36.图11为本实用新型的发电机配置方法的第二实施例的流程图。
37.其中，
38.图3、图4和图5的标记如下：
39.100、电池，
40.11、多相电机，
41.111、定子，
42.1111、绕组，1112、轭部，1113、齿部，
43.112、转子，
44.12、整流模块，121、单向导通器件，
45.13、发电机输出端，
46.131、正向输出端，132、负向输出端，
47.14、控制模块，
48.15、开关。
49.图8的标记如下：
50.21、多相电机，
51.22、整流模块，
52.23、发电机输出端，
53.24、滤波模块。
54.在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。
具体实施方式
55.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
56.本实用新型中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」、「顶部」以及「底部」等词，仅是参考附图的方位，使用的方向用语是用以说明及理解本实用新型，而非用以限制本实用新型。
57.本实用新型术语中的“第一”“第二”等词仅作为描述目的，而不能理解为指示或暗示相对的重要性，以及不作为对先后顺序的限制。
58.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据
具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
59.现有技术中的发电机一般为单相电机或三相电机，其输出的直流电压或者交流电压的纹波电压较大，当输出电压的有效值满足电芯要求时，输出电压的最大值严重超出电芯规格，会对电芯造成损坏。
60.如下为本实用新型提供的一种能解决以上技术问题的低纹波输出电压的发电机的优选实施例。
61.请参照图3、图4和图5，为本实用新型提供一种低纹波输出电压的发电机的第一实施例，用于对电池100进行充电。发电机包括多相电机11、整流模块12和发电机输出端13。多相电机11用于产生多路交流电压。整流模块12用于对多路交流电压进行整流操作，生成对应的直流低纹波电压。发电机输出端13用于输出直流低纹波电压，发电机输出端13包括正向输出端131以及负向输出端132。
62.其中，多相电机11包括设置在多相电机11外侧的定子111以及设置在多相电机11内部的转子112。定子111的内侧均匀设置有n个绕组1111，且n个绕组1111的线圈并联，其中n为大于3的正整数。转子112包括对称设置的n磁极和s磁极。图5中示意的为n为六个的情形，即多相电机11包括六个绕组。
63.其中，整流模块12包括多个单向导通器件121，其中单向导通器件121与绕组1111一一对应。n个绕组1111的线圈的一端均与负向输出端132连接，n个绕组1111的线圈的另一端分别通过单向导通器件121与正向输出端131连接。图4中示意的为单向导通器件121为六个的情形。
64.以六相电机为例，图6为六相电机感应产生的六路交流电压，六路交流电压经过整流模块整流后变为如7图所示的波形，整流后的六路电压叠加后可变为波形较小的直流输出电压(图中未示意)。纹波电压是指该变化的直流输出电压的波峰与波谷的差值。纹波比例代表整流后的直流输出电压的稳定指标，纹波比例为纹波电压与输出电压的比值。当输出电压为固定值时，纹波电压越小，纹波比例越小，表示直流输出电压越稳定。以正弦波为例，以下为上述结构中不同的相数对应的纹波比例，可见相数越多，纹波比例越小。
65.相数3相4相5相6相7相9相11相13相14相纹波比例0.50.2930.1910.1340.1010.0600.0440.0300.026
66.本实用新型的低纹波输出电压的发电机，其通过将多相电机11设置为n个绕组1111，其中n为大于3的正整数，从而使得多相电机11输出相位差较小的多路交流电压(如图6所示，为6路交流电压)，再通过n个绕组1111的线圈并联，且n个绕组1111的线圈的一端均与负向输出端132连接，n个绕组1111的线圈的另一端分别通过单向导通器件121与正向输出端131连接，因为相位的差异，绕组1111间可以进行电压互补，升高了最低电压，从而降低了最低电压和最高电压的差值，进而降低了纹波，整流后便可输出可以直接给电池100充电的直流输出电压，并产生直流低纹波电压(如图7所示，为6路交流电压整流后的波形)。本实用新型的低纹波输出电压的发电机，其不需要外接直流充电器或者交流充电器，可以直接对电池100进行充电。
67.请参照图5，n可以设为4-8，即将绕组数设置为4-8个，图中示意的为6个的情形。该结构既可以输出满足一般要求的直流低纹波电压，又便于缠绕线圈。
68.请继续参照图5，定子111包括轭部1112和齿部1113，轭部1112为两端开口的筒状
结构。通常情况下，容纳多相电机11的空间是有限的。轭部1112的外径为150mm-300mm，轭部1112的内径为100mm-250mm。齿部1113沿轭部1112的径向凸出于轭部1112的内侧壁。齿部1113的宽度为10mm-20mm。齿部1113的长度为15mm-30mm，齿部1113的长度即为齿部1113向转子112方向延伸的尺寸。齿部1113的高度为10mm-20mm，齿部1113的高度即为齿部1113沿轭部1112的轴向延伸的尺寸。多个齿部1113中心对称，每个齿部1113上均缠绕有相同长度的线圈，形成绕组1111。该结构可以有效利用轭部1112内部的空间，在保证可以容纳一定尺寸的转子112的前提下，使齿部1113的尺寸最大化，可以缠绕较长的线圈，以满足较大输出电压的需求。
69.请继续参照图5，齿部1113朝向转子112的表面设置为凹陷的圆弧面，转子112朝向齿部1113的表面设置为凸出的圆弧面。该结构可以有效利用有限的空间，以满足要求输出电压和输出功率较大的情形。
70.请参照图4，单向导通器件121为快恢复二极管。由于快恢复二极管的反向耐压性能较高，反向恢复时间较短，当输出电压较高时，其也不易损坏，可以有效保护电路。
71.请参照图3，发电机还包括控制模块14，其与多相电机11、整流模块12和电池100均连接，控制模块14通过读取电池100的充电状态，从而可以动态调整多相电机11和整流模块12的输出电压和输出电流。
72.请继续参照图3，发电机还包括开关15，其连接在整流模块12和发电机输出端13之间，控制模块14根据电池100的状态，控制开关15的状态。
73.上述结构，控制模块14包含mcu，mcu通过读取被充电电池100的状态，然后发指令给发电机调压控制单元，设定发电机的输出电压，发电机设定好后，mcu打开开关15，此时发电机正常给电池充电。当mcu检测到异常(比如发电机过温、电池过温等)或者电池充满时，关断开关15，断开发电机与电池100。根据电池状态调整发电机输出功率，在无电池插入或者电池充满场景中，可以调整发电机为待机状态，进一步减少燃油消耗。
74.开关15设置为mos开关或继电器开关。mos管损耗低，温度控制特性(导热和发热)较好，一个小的驱动信号便可控制大电源电路，使用方便。继电器的灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好。
75.请参照图8和图9，为本实用新型提供一种低纹波输出电压的发电机的第二实施例。本实施例的发电机包括多相电机21、整流模块22、发电机输出端23，与第一实施例的发电机不同的是，本实施例的发电机还包括滤波模块24，其连接在整流模块22和发电机输出端23之间。当要求输出电压的纹波更小时，滤波模块24可以进一步减小整流模块12输出的直流低纹波电压的纹波，以满足更高的要求。
76.滤波模块22为lc型滤波电路或者π型滤波电路。图9中示意的为lc型滤波电路。两种电路均可以输出低纹波系数的电压。
77.多相电机的绕组数n越多，输出的纹波电压越小，但是加工的难度和绕线难度也会相应增加。这样就会存在一个问题，如何选取绕组数n，使得发电机在满足需求纹波电压的前提下，选取最小的绕组数n，以将加工的难度和绕线难度降到最低。
78.如下为本实用新型提供的一种能解决以上技术问题的发电机配置方法的优选实施例。
79.请参照图10，为本实用新型提供的一种发电机配置方法的第一实施例。当容纳多
相电机11的空间不受限制时，发电机采用图3的结构。发电机包括依次连接的多相电机11、整流模块12和发电机输出端13，发电机配置方法包括步骤：
80.s1、设定发电机的输出电压，以及设定输出电压的设定纹波电压；
81.s2、基于输出电压以及设定纹波电压，确定发电机的设定纹波比例；以及，
82.s3、基于设定纹波比例，确定多相电机11的设定配置相数。
83.输出电压是指发电机最终输出用于驱动负载的直流电压，比如图3中正向输出端131和负向输出端132之间的电压。设定纹波电压是输出电压的波峰与波谷的差值。设定纹波比例是设定纹波电压与输出电压的比值。设定配置相数是满足输出电压和设定纹波电压的情况下，且不考虑空间限制时，多相电机的理想相数。输出电压一般根据电池容量和充电时间进行确定。电芯能承受的最大值减去输出电压值可以得到设定纹波电压。
84.本实用新型的发电机配置方法，可以先通过设定的输出电压和设定的输出电压的设定纹波电压，确定设定纹波比例，然后通过设定纹波比例，确定多相电机的设定配置相数，使得发电机输出的纹波电压满足需求，可以直接给电池充电。
85.步骤s2为，根据以下公式确定发电机的设定纹波比例:
86.va*2
1/2
*e＝vpp；
87.其中，va为输出电压，vpp为设定纹波电压，e为设定纹波比例。该方法可以精确的计算出发电机的设定纹波比例。
88.步骤s3为，根据以下公式确定多相电机的设定配置相数：
89.e＝1-sin(90
°‑
180
°
/n)；
90.其中，e为设定纹波比例，n为设定配置相数。该方法可以精确的计算出多相电机的设定配置相数。
91.一般情况下，容纳多相电机的空间是有限的，多相电机不能无限制的做大，多相电机的设定配置相数也不能设置过多。
92.请参照图11，为本实用新型提供的一种发电机配置方法的第二实施例。本实施例的发电机配置方法与第一实施例的发电机配置方法的区别在于，本实施例的发电机配置方法除了包括第一实施例的步骤s1、步骤s2和步骤s3外，还包括步骤：
93.s4、获取多相电机的最大配置相数；以及，
94.s5、比较最大配置相数与设定配置相数；如最大配置相数大于等于设定配置相数，则以设定配置相数设置发电机的实际配置相数；如最大配置相数小于设定配置相数，则以最大配置相数设置发电机的实际配置相数。最大配置相数为综合考虑多相电机的内外部空间，以及绕线工艺，多相电机所能设置的最大相数。
95.请参照图5，多相电机11包括设置在多相电机11外侧的定子111以及设置在多相电机11内部的转子112。定子111的内侧均匀设置有多个绕组1111，多个绕组1111围合成转动空间113，转子112设置在转动空间113内，步骤s4包括以下步骤：
96.s41：获取绕组1111的宽度(绕组1111的宽度为齿部1113缠绕线圈后的总宽度)；
97.s42：获取相邻的绕组1111靠近转子112的一端之间的最小间距；
98.s43：获取转动空间113的截面直径；
99.s44：通过以下公式获取多相电机11的最大配置相数；
100.m＝π*d/(w h)；
101.其中，π为3.14，m为最大配置相数，d为转动空间的截面直径，w为绕组1111的宽度，h为绕组1111之间的最小间距。上述方法可以简单精确的计算出多相电机11的最大配置相数。
102.以图2为例，d为转动空间的截面直径，w为绕组的宽度，h为绕组之间的最小间距。
103.步骤s41为，设定发电机的输出功率，基于输出功率和输出电压确定绕组1111的宽度。输出电压越大时要求线圈的匝数越多，输出功率越大时要求线圈的直径越大，上述方法可以简单精确的计算出绕组1111的宽度。
104.如步骤s5中以最大配置相数设置实际配置相数，发电机如图8所示。发电机还包括滤波模块24，其连接在整流模块22和发电机输出端23之间。步骤s5之后还包括以下步骤：
105.s6、基于实际配置相数以及输出电压，确定发电机的中间纹波比例；
106.s7、基于中间纹波比例，确定整流模块12输出的中间纹波电压；
107.s8、基于中间纹波电压以及设定纹波电压，确定滤波模块16的参数值。
108.如图8中，整流模块22将多路交流电压整流，输出波动的中间直流电压，中间纹波电压为该中间直流电压的波峰与波谷的差值。中间纹波比例为该中间纹波电压与该中间直流电压的比例。中间纹波电压滤波模块的参数值为滤波模块中电容和电感的参数。
109.滤波模块16为lc滤波电路，步骤s8包括以下步骤：
110.s81、设定发电机的频率；
111.s82、通过以下公式确定滤波模块16的参数值：
112.vpp＝vp/(1 8*f2*l*c)；
113.其中，vpp为设定纹波电压，vp为中间纹波电压，f为发电机的频率，l为滤波模块16的电感值，c为滤波模块16的电容值。可以通过调整发电机的频率、电感值或者电容值，使得电路的参数符合要求。
114.步骤s82中，设定滤波模块16的电感值为0.5uh-1uh。在功率应用场景，由于电感需要过大电流，因此在有限体积内电感量较低。
115.步骤s6为，根据以下公式确定发电机的中间纹波比例：
116.f＝1-sin(90
°‑
180
°
/m)；
117.其中，f为中间纹波比例，m为实际配置相数。
118.步骤s7中为，根据以下公式确定整流模块12输出的中间纹波电压：
119.va*2
1/2
*f＝vp；
120.其中，va为输出电压，f为中间纹波比例，vp为中间纹波电压。
121.例1：
122.1、设定发电机的输出电压为80v，以及设定输出电压的设定纹波电压为2.4v；
123.2、根据公式va*2
1/2
*e＝vpp，输出电压va为80v，设定纹波电压vpp为2.4v，则求出设定纹波比例e为0.021；
124.3、根据公式e＝1-sin(90
°‑
180
°
/n)，纹波比例e为0.021，求出设定配置相数n为15相；
125.4、根据输出功率和输出电压，计算出绕组的宽度为30mm；
126.5、相邻的绕组靠近转子的一端(即绕组末端)之间的最小间距为10mm，小于该尺寸的话将无法缠绕线圈；
127.6、根据公式m＝π*d/(w h)，π＝3.14，转动空间的截面的直径d为250mm，绕组的宽度w为30mm，相邻的绕组靠近转子的一端(即绕组末端)之间的最小间距h为10mm，计算得出多相电机的最大配置相数m为19；
128.7、多相电机的最大配置相数m为19组大于设定配置相数n为15，则发电机的实际配置相数可以设置为15。
129.例2：
130.1、设定发电机的输出电压为80v，以及设定输出电压的设定纹波电压为2.4v；
131.2、根据公式va*2
1/2
*e＝vpp，输出电压va为80v，设定纹波电压vpp为2.4v，则求出设定纹波比例e为0.021；
132.3、根据公式e＝1-sin(90
°‑
180
°
/n)，纹波比例e为0.021，求出设定配置相数n为15相；
133.4、假设求得多相电机的最大配置相数m为12组，则多相电机的最大配置相数12小于设定配置相数15，则发电机的实际配置相数可以设置为12；
134.5、根据公式f＝1-sin(90
°‑
180
°
/m)，发电机的实际配置相数m为12，计算得出中间纹波比例f为0.034；
135.6、根据公式va*2
1/2
*f＝vp，中间纹波比例f为0.034，输出电压va为80v，计算得出中间纹波电压vp为3.8v；
136.7、根据公式vpp＝vp/(1 8*f2*l*c)，发电机的频率f取1000hz，设定纹波电压vpp为2.4v，中间纹波电压vp为3.8v，计算得到l*c＝7.3*10-8
，在功率应用场景，由于电感需要过大电流，因此在有限体积内电感量较低，一般在0.5uh左右，这里取l＝1uh＝1*10-6
h，因此电容c＝73000uf。在发电机的实际配置相数m为12相时，增加lc滤波电路，l取1uh、电容取73000uf，输出纹波电压可以降低到2.4v，满足设计要求。
137.本实用新型的低纹波输出电压的发电机，其通过将多相电机设置为n个绕组，其中n为大于3的正整数，从而使得多相电机输出相位差较小的多路交流电压，再通过n个绕组的线圈并联，且n个绕组的线圈的一端均与负向输出端连接，n个绕组的线圈的另一端分别通过单向导通器件与正向输出端连接，因为相位的差异，绕组间可以进行电压互补，整流后便可输出可以直接给电池充电的直流低纹波电压。本实用新型的低纹波输出电压的发电机，其不需要外接直流充电器或者交流充电器，可以直接对电池进行充电，既降低了应用发电机的设备的成本，又可以提高充电时间。
138.本实用新型的发电机配置方法，可以先通过设定的输出电压和设定的输出电压的设定纹波电压，确定设定纹波比例，然后通过设定纹波比例，确定多相电机的设定配置相数，使得发电机输出的纹波电压满足需求，可以直接给电池充电。
139.综上所述，虽然本实用新型已以优选实施例揭露如上，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案的构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。