具有电压调节器的复合式交流发电机 【技术领域】
本发明涉及用在车辆中的交流发电机，向运行中的辅助设备和充电蓄电池提供电源。更具体地说，本发明涉及一种高效复合式交流发电机，其转子的旋转磁场是由永久磁铁的磁极和磁场绕组的磁极综合产生的。本发明还涉及监视电压调节器的温度，该调节器专门设计成自动调节复合式交流发电机的转子绕组双向电流，以便控制其输出电压，并且该发电机只要温度低于预定的最高工作温度，则就允许发电机增加输出功率。
技术背景
汽车业一直致力于提高机动车辆在空转和各种运行速度时的效率。在各种车辆中普遍采用的交流发电机，其设计已经沿用了约25到30年，其造价低廉，但具有很低的效率，低达40-50％。在低转速情况下，这个问题特别尖锐，因为为了产生预期的电压，需要在转子绕组中施加很高的激磁电流，从而导致效率很低。
除了希望具有高的效率之外，还需要提供大容量的交流发电机，因为现代车辆具有许多附加电动机，所需的电功率较从前大得多。此外，车辆地燃料效率与车辆的重量密切相关，希望降低交流发电机的重量，以便将车辆的总重量降至最低。当将交流发电机的效率提高时，这些目标就可以实现。
车辆中电力消耗的增加，还要求一些部件的工作电压高于目前在汽车上采用的12伏标准电压。与此同时，预期12伏电源仍将在有更高电压电源的车辆中使用。
众所周知，在定子上安装两个绕组就可得到具有双电压的交流发电机。然而，当在转子上只采用一个绕组时，由于对不同的电路可能需要不同的转子激磁电流，因此难于恰当调节两个不同的电压输出。由本发明提出的单和双电压型交流发电机也可以应用在各种非内燃机驱动的应用场合，例如风力或水力驱动的场合，高效地产生电力。
在交流发电机运行在低转速时，通过利用永久磁铁直接产生高通量的磁道，复合式交流发电机效率显著增加。通过利用本文公开的复合式交流发电机，在车辆发动机空转转速下，交流发电机将产生全额的交流发电机电流和电压输出。而现有的交流发电机一直到它们远远超过其空转转速之前，不可能产生全额的输出。
通过对永久磁铁产生的磁通进行补偿，复合式交流发电机实现了在低速下的全额输出。补偿磁通是由施加到绕组两端的正向极性电压所产生的正向转子绕组电流感应的。这被称为增压模式或正向极性模式，也就是说，由转子绕组产生的磁场与永久磁铁产生的磁场具有相同的方向。
随着交流发电机RPM(每分钟转数)增加，由永久磁铁产生的磁通产生更大的输出，对转子绕组产生的补偿磁通的需求则降低。最终，在足够高的速度下，仅由永久磁铁产生的磁场得到交流发电机的全额输出，不需要转子绕组中的附加电流。通常这种转变发生在远低于交流发电机的最大预期运行转速情况下。
当高速运转的发动机使转子的转速超过这一转变点时，永久磁铁的磁通就显得太大，必须降低以避免产生危险的过电压和过电流。这是通过使复合式交流发电机运行在减压模式或反向极性模式来实现的。将反向极性电压施加到转子绕组上，在转子绕组上产生反向极性电流，该电流产生的磁通与来自永久磁铁的磁通反向，因此降低了发电机的输出，维持了预期的电压。
由于需要提供正向和反向转子激磁电流，因此对复合式交流发电机的电压调节器提出了某些限制和要求，这些限制和要求在常规的交流发电机中是不需要的。尽管低效爪形磁极即伦德尔(Lundell)型的复合式交流发电机尽人皆知，但是，迄今为止，即使在制造复合式交流发电机的电压调节器时，这些限制和要求还没有被本技术领域人员所认识。
首要的问题是有关断开大电感转子绕组时所产生的感应作用，特别是在正向和反向转换极性模式的过程中的作用。当发电机处于轻载或者蓄电池没有接到发电机上时，这个问题特别尖锐。在这种情况下，主要电源线上很可能会产生瞬间的负序电流。
磁场绕组中感应的电流在转子线圈中贮存了很大磁场能量。当突然改变负荷，或断开加在转子线圈上的电压时，这个能量就会产生电压尖峰值。为了减小复合式交流发电机的这个尖峰输出电压，原有的技术简单地指出：应用反向极性方式降低尖峰电压，或将磁场绕组的电流反向。然而，在电流反向前，必须使原来感应的磁场先衰减消失，在这个衰减过程中，原来在正极性方式下产生的正向电流将继续供给主电源母线，而该母线与蓄电池及所有的汽车辅助装置相连接。
在实现原来的调节器系统时，采用了一个桥电路，以便提供二种状态的电压脉冲宽调制。这种调制使反向电流进入主电流母线，其反向电流的幅值与磁场电流幅值相等。如果主电源母线上的负荷电流小于磁场电流的幅值，那么就向母线上加一个反向的电流。这个电流没有地方可流，因为交流发电机的二极管阻止了反向电流流入发电机，从而产生具有破坏性的尖峰电压，除非是受到蓄电池或是大电容器的抑制或吸收。
假如蓄电池像在正常情况下一样连接到交流发电机上，蓄电池可以在其它负载之后，吸收剩余反向电流。另一种方法是利用大电容吸收能量。然而，由于蓄电池并不总是具有吸收反向电流的能力，该第一种方法并不是可靠的。使用电容器是极端昂贵的，特别是要求汽车盖下面的电容器在额定温度范围内吸收储存在转子绕组中的全部能量时。
除非在通常连有蓄电池的电路上接有大容量的滤波电容，否则没有电容器假如再将蓄电池取走，在母线上的剩余反向电流将无路可走。假如采用适当频率的脉宽调制技术，这个电容器可以取合理的数值。为了得到最低的成本和较小的体积，铝电解电容将是所希望的。然而，铝电解电容通常不能用于105℃以上的温度场合，因此，不能简单地置于发动机附近的高温环境中。
即使将电容器与高温的交流发电机进行一定的隔离，以避免温度超过105℃，电容器的寿命也会随温度上升而很快下降。因此，在车盖下的环境中通常不允许使用铝电子器件。可以使用耐高温的钽电容，不过它们体积大，价格昂贵，对成本敏感的大规模的汽车业缺少吸引力。
此外，即使能够利用电容器来吸收转换过程中的瞬态能量，仍潜存一个由磁场线圈大量储能和很长的时间常数而引起的问题。例如，假若交流发电机的转速或负载突然变化，交流发电机调节器将励磁电压极性从一个方向近于全电压(例如在正向极性模式下的增压)转变为另一个方向的很大电压(例如在反向极性模式下的减压)，如不存在蓄电池和系统不带负载(除了磁场线圈)，势必会产生很大电压的暂态过程。
在这种状况下，磁场线圈中的初始能量势必输入到电容器中，除非电容器容量极大或者母线电压被箝位，否则产生过电压。
尽管吸收由脉宽调制产生的纹波脉动电流不需要很大尺寸的电容器，但要能够吸收磁场绕组的高能量而不会产生过电压则电容器的体积必须很大。即使采用电压箝位限制电容器电压，费用也是很贵的，此外，高温环境下的可靠性及车盖下方狭窄空间内各部件的尺寸都将产生问题。
市场需要一种即使不存在蓄电池也能采用脉宽调制技术、同时又不需要大的电容器的解决方案。
第二个更敏感的问题是，当车辆停止时，必须采取预防措施，防止在反向极性模式下提供反向电流的电压调节器不能有效动作。在发动机和交流发电机转速很高的情况下，来自永久磁铁的磁通几乎被复合式转子绕组中的反方向的磁通全部抵消。假如抵消的磁通瞬时断掉，例如关断高速运行的交流发电机的点火开关时，交流发电机的输出电压将很快地增加到足以损坏常规汽车中的电气元件的水平。
本发明包含一个自动联锁装置，它独立于车辆的点火系统而自动向电压调节器供电，以防止调节器不适当地失去激励。当车辆停车时，自动联锁装置，从车辆蓄电池吸收的电流很少或不吸收，不会导致车辆蓄电池放电。
经过优选的实际电压调节器还包含以一种新颖的方式抑制暂态电压，即采用某些开关(最好为FET)在正向和反向极性模式之间切换转子绕组，从而完成抑制暂态电压的第二种功能，即避免危及蓄电池母线上的电压调节器和其它系统。
根据上面所述的复合式交流发电机的设计，最好应能在发动机怠速至最大速度时的所有发动机速度上产生额定的满输出。发电机最大输出功率的二个限制是最大磁通问题，即采用永磁的转子绕组所能产生的最大磁通，以及在最高环境温度下，连续满输出工作时，发电机散去多余热量的能力问题。第一个限制通常受最低速度控制、而第二个限制常受较高速度的控制。
对于以上两种限制，要改进发电机的操作常常会导致费用增加，或是发电机的体积增加，这是我们所不希望的。为了产生更强的磁通，要求要增加通过转子线圈的电流(线径更大，并且线圈也更大)，或增加永磁的数量或强度。这两种选择都会大大地影响到复合式发电机的成本和体积。改善散热能力，需要增加内或外风扇，发电机壳上更大的冷却散热片，转子内部或能连续在较高温度下工作的特殊电子元件所通过更大的气流。
复合式发电机最好设计成在所预料到的最坏的环境温度下，无论发动机在任何速度范围都能产生额定满出力(full rated power output)。因此，在发电机的设计过程中，冷却和磁通限制问题要综合考虑。这种发电机就是在磁通量方面刚好满足发动机在怠速工况下能产生所需要的额定输出功率，而在最坏的高温环境下，冷却能满足所有其它速度，保持发电机的工作温始终低于要求的最大值。
然而，这种设计使得发电机不在最恶劣情况下工作时，有多余功率输出容量。另外，既使在最坏情况下工作，发电机产生满输出功率也不会立即达到最大的运行温度，在启动过程中，发电机的温度低于最大工作温度，这时也有多余的功率输出容量可以利用。
考虑到现有技术存在的问题，本发明的目的之一是提供一种在低的RPM下能高效运行的交流发电机。
本发明的另一个目的是提供一种将转子中的永久磁铁组件产生的恒定旋转磁场与转子绕组产生的可变旋转磁场结合起来的交流发电机。
本发明的再一个目的是提供一种交流发电机，其在相同的输出功率下比现时的交流发电机要轻，或者在相同的重量下产生更高的输出。
本发明的再一个目的是提供一种高效的双电压的交流发电机，最好两个电压在负载变动的情况下都能很好地进行调节。
本发明的再一个目的是提供一种用于复合式交流发电机的电压调节器，其具有自动联锁作用，以防止当交流发电机处于反向极性模式时调节器失去激磁。
本发明的再一个目的是提供一种用于复合式交流发电机的电压调节器，用于抑制暂态电压。
本发明的再一个目的是提供一种用于复合式交流发电机的电压调节器，使得交流发电机运行时无需附加蓄电池，也无需昂贵的电容器或电压箝位器。
本发明的再一个目的是提供一种复合式交流发电机，当装有该交流发电机的车辆空转运行时，能提供最大额定电压和电流。
本发明的再一个目的是提供一种交流发电机，通过在定子中采用径向冷却的线槽得到最大的冷却效果。
本发明的另外一个目的是提供这样一台发电机，即安全地利用在发电机的冷却容量所限制的操作范围内发电机的多余功率输出容量，而不会冒着发电机因过热而损坏的危险。
发明综述
对于本技术领域中的普通技术人员显然能够理解的上述以及其它目的，在本发明中均得以实现。首先，本发明中的复合式交流发电机包括一个定子，以及装在定子中转动的转子，并且有一定的气隙间隔将它们分开，这里所说的转子有一个限定了多个磁极的转子铁芯，相邻的磁极有交变的南北极磁场，该多个磁极至少包括一个由永磁所确定的永磁极，以及多个电磁极，它们各自由一个磁绕组所确定。
一方面，本发明所指的复合式交流发电机包括一个具有定子绕组的定子，以及装在定子中转动的并与定子有一定气隙的转子，转子包括一个铁芯。它限定多个转子磁极。至少有一个永磁铁，该永磁铁连接相应的转子磁极以限定一个永磁磁极，该永磁铁的连接方式使得它形成转子周边的一部分。而与其它转子磁极相关的转子绕组限定多个电磁极，电磁极和永磁极共同确立了多个磁极，紧接着的磁极具有交变的南北极磁场。
再一方面，本发明所指的复合式交流发电机包括一个具有定子绕组的定子，以及装在定子中转动的并与定子有一定气隙的转子，转子包括一个转子铁芯，它限定多个转子磁场极性，至少有一个永磁铁，该永磁铁安置在转子周边之内，并与一对相邻的转子磁极相连，形成相邻的永磁磁极。而在其它转子磁极相连的转子绕组限定多个电磁极，电磁极和永磁极共同确定了多个磁极，而相邻的磁极具有交变的南北极磁场。
还有一方面，本发明所指的复合式交流发电机包括一个具有定子绕组的定子，以及装在定子中转动的并与定子有一个气隙相隔的转子，转子包括一个转子铁芯，所述转子磁芯确定多个转子磁场极性。每一个磁极都有一个极靴，至少有一个永磁铁，该永磁铁安置在转子铁芯和所述极靴之间形成一个永磁磁极，而与其它转子磁极相连的转子绕组限定多个电磁极，电磁极和永磁极共同确定了多个磁极，而相邻的磁极具有交变的南北极磁场。
再一方面，本发明所指的复合式交流发电机包括一个具有定子绕组的定子，以及装在定子中转动的并与定子有一个气隙相隔的转子，前面所提到的磁芯确定了多个转子磁极，每一磁极都有一个纵向的轴与转子铁芯转动轴基本上相平行，所述转子磁极包括一个从所述铁芯到末端表面放射延伸的实体部分，并且有一个第一纵向长度，以及与所述末端表面相连的端部，该端部具有第二纵向长度，它比所述第一纵向长度更长。
另外一方面，本发明中的复合式交发电机包括一个装在定子中转动的转子铁芯，转子和定子间存在着放射式的气隙，该转子包括一个安装在定子里转动的轴，转子的磁场绕组部分装在定子中第一纵向区内的转轴上，旋转的转子磁场部分有一个转子绕组和多个电磁极，其中每个电磁极都包括一个转子磁极，该磁极的纵轴方向与所述转轴相平行，并且包括一个从铁芯到一个末端表面放射延伸的实体部分，还有一个第一纵向长度，以及与所述末端表面相连的端部，它具有一个第二纵向长度，它比所述第一纵向长度更长，永磁转子部分装在轴上，相对于在定子第二纵向区转动的转动磁场转子部分纵向隔开，永磁转子部分具有多个永磁磁极。
在一个实施例中，本发明的复合式交流发电机包括一个转子励磁回路，该回路与旋转转子磁场部分的转子绕组相连接，当在升磁方式时就会通过转子绕组产生一个正向励磁电流使发电机的输出功率增加，而当减磁方式时，就会通过转子绕组产生反向励磁电流，以减小发电机的输出。
在另一个实施例中，该复合式发电机还要包括一个电压调节器，它通过一台发电机的绕组来控制双向的电流流动，从而控制发电机的输出电压，电压调节器包括一个电压监视回路，监视发电机输出电压，电压监视回路产生的误差信号表明是应该增加还是减少发电机的输出电压，在转子绕组中接有一个开关回路，用来以不同的方式连接绕组，包括正极性方式，即将正极性电压加在转子绕组上；以及反极性方式，即将反极性电压加在转子绕组上；还有一种衰减方式，其中以正极性或反极性方式相连时，将在转子绕组中感应出的电流进行衰减，不在电压调节器中感应出破坏电压，为此控制回路与开关回路相连，响应监视回路的误差信号用于控制开关回路进入正极性方式，以增加发电机的输出电压；或进入反极性方式，以减少发电机的输出电压，或当开关无论从正极性或反极性方式断开时，进入衰减方式。
本发明中复合式交流发电机另一个实施例包括一个定子，一个装在定子中转动的转子以及定子和转子间的气隙。转子有一个铁芯，用于确定磁极的极性，而相邻磁极具有交变的南北极磁场。多个磁极包括多个永磁极和多个电磁极。每个永磁极都是由一个永磁铁确定的。多个永磁极由两组位置上径向分布的永磁极组成。每组永磁铁都固定在转子的周边之内，并且与一对相邻的磁极一起形成相邻的永磁极。
本发明中复合式交流发电机的另一实施例包括一个具有定子绕组的定子，一个装在定子中转动的转子以及转子和定子之间的气隙。转子有一个铁芯，用来确定多个转子磁极和多个永磁极，每一磁体都装在转子周边之内，并装在一对相邻转子磁极之间，以形成相邻的永磁极，多个永磁极由两组位置上径向分布的永磁极组成。一个转子绕组与其它剩下的转子磁极相连，并限定多个电磁极。多个电磁极包括两组径向分布的电磁极。电磁极和永磁极共同确定了多个磁极。相邻磁极具有交变的南北极磁场。
本发明中复合式交流发电机的另一实施例是带有定子绕组的一个定子，一个装在定子中转动的转子，以及转子和定子之间的气隙。转子包括一个铁芯，它用来确定关于转子铁芯磁极不对称安置时的多个转子磁极。每个转子磁极都包括一个由转子铁芯到末端表面放射延伸的实体。转子也包括多个永磁体，每个永磁体都被安置在转子的周边之内，并且装在一对相邻转子磁极之间，形成相邻的永磁极。多个永磁极包括两组径向放置的永磁极，而每组永磁极包括四个相邻的永磁极。每个永磁体按这样一种方式布置：即其磁化方向定位在转子铁芯转轴的周线上。转子绕组绕在其余剩下的转子磁极上，以确定多个电磁极，多个电磁极包括两组径向放置的电磁极。每组电磁极包括两个相邻的电磁极。电磁极和永磁极确定了多个磁极，而相邻磁极具有交变的南北极磁场。交流发电机还包括多个转子磁场极靴，每一极靴都不对称地装在相应极体的末端表面，这样转子磁场极靴才能等距离地一个挨着一个布置。
复合式交流发电机的另一实施例在转子绕组和定子绕组之间采用了一种新颖的布置连接方式。通过采用这种布置方式，就可以采用简化了的电压调节器，使元件成本大大降低。电压调节器轮流使蓄电池的正端和地与转子绕组的一端相连接。转子绕组的另一端连接到定子的中性点上(该点的工作电压约为蓄电池电压的一半)。调节器中的开关回路只需要两个开关，用于交替地连接转子，在正极方式和反极方式之间转换。
复合式交流发电机是这样设计的，即当汽车在怠速时它可以产生额定的满输出电压和电流，并且在所有的运行速度下都能持续产生额定的满输出功率。
本发明的另一个方面包括有一个温度监视电压调节器以控制流过复合式发电机一个绕组中两个方向的电流流动，当交流发电机的温度接近最大工作温度的定值时根据发电机的温度调整复合式发电机的输出电压，以对输出功率限制。
温度监视电压调节器还包括一个电压监视回路，一个温度传感器，一个开关回路和一个控制回路。连接电压监视回路以监视发电机的输出电压，并且产生一个偏差信号，该信号表明应该增加还是减小发电机的输出电压。
将温度传感器与复合式发电机机械安装在一起并进行热接触，最好与输出二极管桥的散热源接触以便感受发电机的温度。温度传感器电气连接到电压监视回路，并且当温度传感器感受到发电机的温度接近最大温度预定值时，就会去修正偏差信号，以减小复合式发电机的输出电压。
开关回路与转子绕组相连接，并且能以正极性方式或反极性方式与该绕组相连接，在以正极性方式相连时，绕组上加的是正极性电压，而以反极性方式相连时，转子绕组上加的是反极性电压。控制回路对监控回路的偏差信号做出反应，并且当需增加发电机输出电压时控制开关回路进入正极性方式，而当需减小发电机输出电压时，控制开关回路进入反极性方式。在最佳实施例中，温度传感器是热敏电阻，开关回路也包括衰减方式。
附图简介
图1是通过本发明的复合式交流发电机的轴并与之平行的纵向断面图。
图2是沿图1中的2-2线所取的，与转子轴垂直的经过交流发电机的磁场绕组转子部分的横断面图。
图3是沿图1中的3-3线所取的，与转子轴垂直的经过交流发电机的永久磁铁转子部分的横断面图。
图4是本发明的交流发电机的电路示意图，具有用于调节电压的转子激磁电路和用于产生第二输出电压的电压变换电路。
图5是在本发明的典型实施例中为了维持恒定电压输出所需的磁场电流与内燃机RPM之间关系的曲线图。
图6是沿与采用实芯圆盘形永久磁铁的，本发明的第一替换实施例的转子轴平行的方向所取的断面图。
图7是10个磁极的圆盘形永久磁铁侧剖面图，用在图6所示的本发明的第一替换实施例中。
图8是扇形磁通引导元件的正向剖面图，该元件用在图6所示的本发明的第一替换实施例中。
图9是沿图8中的线9-9所取的，扇形磁通引导元件的横断面图。
图10是利用嵌入式永久磁铁的本发明的第二替换实施例的横断面图。
图11是沿图10中的线11-11所取的，表示转子的嵌入式永久磁铁部分的横断面图。
图12是用于控制复合式交流发电机转子绕组桥式电路的电压调节器的方块示意图。
图13是对应于图12方块示意图的详细电路图。
图13A是根据图13电路的一个详细的温度监视电压调节器的详细电路图，其中温度传感器的作用是只要发电机温度低于最大预定工作温度值，就可以允许调节发电机的输出电压比额定输出更高。
图14是用于复合式交流发电机的新颖方式的接线图，其转子绕组连接到定子绕组的中性点。
图15是一个磁滞调整器的接线图，相比于图13中相应的磁滞转换元件磁滞调整器可以提供改善的电压调节器动态特性。
图16是本发明中复合式交流发电机一个实施例的通过其轴并且与轴平行的一个纵向剖面图。
图17是图16的发电机沿线17-17与转子轴垂直的一个剖面图。
图17A是图17中永磁磁极的局部放大图。
图18是图16的发电机的另一个实施例的类似图17的截面图。
图18A是图18中永磁磁极的局部放大图。
图19是图16中的复合式发电机的另一实施例的一个类似图17的断面图。
图19A是图16中的复合式发电机的另一实施例的类似图17的截面图。
图20是转子磁极构造的正视图，这个结构可以在本发明中复合式交流发电机以及其实施例中采用。
图21是沿图20的线21-21所表示的转子磁极的顶视图。
图22是图20中转子磁极构造的透视图。
图23是图20中转子磁极构造一个实施例的正视图。
实施本发明的方法
参阅图1，本发明的交流发电机包括的定子10具有第一纵向定子区12和第二纵向定子区14。如图4所示的三相定子绕组16穿过在定子内部形成的线槽18(见图2和图3)。
以箭头20总体表示的转子安装在轴22上以便在定子10内旋转。转子包括在第一定子区12内旋转的磁场绕组转子部分24和在第二定子区14内旋转的永久磁铁转子部分38。
磁场绕组转子部分24具有转子绕组28，当通过轴22上的滑环30、32向其提供电流时，绕组被激磁而产生磁场。常规的电刷(未表示)应安装在外壳36的区域34内，电刷与滑环30、32接触，给转子绕组提供激磁电流。
永久磁铁转子部分38安装在轴22上与磁场绕组转子部分24纵向相互隔开。该部分包括多个围绕其周边分布的永久磁铁40，磁化方向相对转子轴而言为径向。磁铁产生穿过转子和定子之间气隙的多极永久磁场。
图2是经过定子的第一区12的横断面图，在该区中磁场绕组转子部分产生旋转。磁场绕组转子部分是由具有图2所示横断面形状的多个沿着转子轴相邻叠装的薄铁片按常规方式构成的。
另外，磁场绕组转子磁极也可以利用磁性材料实芯铸造而成。转子上的每层铁片包括多个磁极42，转子绕组28围绕各磁极分布，按相反的方向交替绕在各磁极上，以便产生交替的北极和南极磁场。
因此，定子的第一区12和转子的磁场绕组转子部分24作用好像一凸极交流发电机，当激磁电流提供到转子绕组28上时，由定子绕组16经过输出引线44、46和48(如图1和图4所示)产生输出。复合式交流发电机-径向磁化的永久磁铁
图3是一台具体交流发电机的永久磁铁转子部分的横断面图。永久磁铁转子部分包括呈矩形片状的8个永久磁铁40，它们固定在永久磁铁转子叠层部分38上。磁极可以多于或少于8个，不过必须与磁场绕组转子部分具有相同的极数。可以采用不同于矩形片的形状，例如片的厚度可以变化，以便与转子的曲率相匹配。
每个永久磁铁片沿着它的厚度方向磁化，安装时应使得磁化方向径向沿伸，即沿与轴22相垂直以及与片40的外表面正交的方向延伸。
片40固定在沿永久磁铁转子周边分布的叠层部分38的开口上，安装方式为交替使一个片的北极面向外，下一个片的北极面向内。采用这种方式，当正向激磁电流提供到转子绕组28上时，由转子绕组部分产生的磁场与永久磁铁磁场相叠加，而当提供反向电流时，与永久磁铁磁场则相减。在说明性设计中所采用的永久磁铁是由钕构成的，然而也可以采用其它磁性材料例如陶瓷或钐钴磁铁，并且在特殊的应用场合可能更优越。在生产中，钕磁铁表面镀有一层镍。
除了用于固定磁铁的开口以外，叠层部分38包括多个开孔50，以便降低重量和使冷却空气流经交流发电机。
通晓电机尤其是交流发电机的人都知道，永久磁铁40在转子上产生永久磁场，当轴22旋转时，该磁场在定子绕组16中感应电压。轴的旋转通常是利用皮带和皮带轮拖动，然而，也可以采用齿轮驱动或其它方式。
在图1所示方案中，定子绕组16从环绕磁场绕组转子部分的第一定子区连续延伸到环绕永久磁铁转子部分的第二定子区。因此，当轴22旋转时，在定子绕组16中感应的电压，部分是由于永久磁铁产生的磁场的作用结果，部分是由于在磁场绕组转子部分的绕组28中的激磁电流产生的磁场的作用结果。还可以在两个定子部分分别设立绕组，而将它们的电输出相加。
在图1，2，3所示的设计中，发电机的定子部分在区14与区12一样，并且包括一样的槽18和定子绕组16。然而，槽18可以是弯曲的，这样在其上面有一个扭转力。这个扭转力的作用就是防止磁场的齿槽效应(magnetic cogging)。在没有这种扭曲力的情况下，由于在定子和转子之间的气隙中因槽中引起的可变磁阻的影响，会产生磁场齿槽效应和有害的振动。
定子是由薄电工钢片叠装而形成的。每层钢片与相邻钢片之间具有足以沿着槽的长度方向形成一个定子槽距扭曲的旋转偏移。
尽管在图3中没有表示，永久磁铁部分还包括一预制的圆柱形套筒，由重量轻但强度高的材料(例如与树脂结合的碳纤维)制成。套筒的壁很薄，其内径等于永久磁铁转子部分的外径。套筒包住永久磁铁转子部分，防止由于高速运转产生的离心力使磁铁40飞出损坏定子。
在本发明的实际制造方面，把永磁体保持在转子上的较佳方法就是将它们用埋头螺钉连在一起，如图24所示，以防止转子转动时磁体从转子磁极上发生移动。当然，把磁体保持在转子磁极上的其它方法也可以采用。例如，可以采用一对圆形的端盘(endplate)，该端盘装在转子的两边的轴上，每个端盘有一个凸出部分，它与转轴基本上平行，转子轴伸出长度约为转子宽度的一半，并且在磁体的上面，这样就形成了一个极靴，还可以这样构造端盘，使端盘的凸出部分伸出到装在永磁体的顶部的极靴之上。此外，还可以采用环氧粘剂将永磁体牢固固定到转子磁极上。其它机械方法将永磁体因定到转子上，对于本技术领域的人来说都是很明显的。
当交流发电机轴22旋转时，磁铁部分在定子绕组16中感应电压，经过整流产生所需的输出电压。参阅图4，典型的定子绕组16由三个支路构成，它们连接到由6个功率二极管60构成的全波电压整流装置上。功率二极管60对定子输出进行整流，向蓄电池62提供充电功率，并经输出端64向车辆辅助装置提供电力。
在低的RPM下，由永久磁铁产生的交流发电机输出不足以在输出端64上提供所需的全电压。因此，需向转子绕组28提供正向极性激磁。这就增加了在转子绕组中的电流，增加了由转子绕组产生的磁场强度，增加了定子绕组16的输出，使输出电压增压到预期的数值。正向极性和由其感应的正向电流使转子绕组产生的磁场加到永久磁铁产生的磁场上，即增压模式。
通过向转子绕组28提供正向激磁电流使输出增压，仅在发动机转速很低的情况下才是必要的。随着发动机转速增加，定子的输出增加，在某一速度下仅依靠永久磁铁定子就会产生预期的输出电压，不再需要向转子绕组28提供激磁电流。然而，超过这一转速，永久磁铁将在定子绕组中产生过电压。
为了在高的RPM下，降低这种过电压，向转子绕组28提供反向激磁电流，在减压方式下降低交流发电机的输出。图5提供了使定子绕组16的输出端64处的输出电压维持恒定所需要的转子绕组28中电流与发电机RPM的函数关系曲线图。提供该曲线图是为了说明实施本发明的一种可能的方案。改变交流发电机对发动机的齿轮传动比、转子和定子绕组的匝数和电阻以及由永久磁铁和转子绕组产生磁场的相对强度都将会影响任何特定应用场合的实际曲线。
参阅图5，可以看出，曲线66中需要正向激磁电流的增压部分从接近600RPM的空转速度直到1200RPM为止。当RPM从600RPM达到1200RPM时，维持恒定输出电压所需的正向激磁电流的量值在降低，在点70达到零。在该点，所有的激励都是由永久磁铁转子部分产生的。当速度超过1200RPM时，进入曲线的减压部分68。在这部分曲线中，需要反向激磁，在座标轴上用负的电流值表示，防止输出电压超过预期数值。
通过改变磁场绕组转子部分和永久磁体转子部分之间的输出的相对比例，可以调节在增压和减压模式之间的转换点70，该点会随负荷而变化，参阅图1，通过调节永磁体40的磁场强度或转子绕组产生的磁场强度可以实现这一点。另外也可以通过改变永磁铁转子部分14和磁场绕组转子部分12的相对尺寸来改变。在图1中表示出尺寸大致相等的情况，不过可以根据需要改变比例，以便调节增压和减压工作区的交点。双电压复合式交流发电机
在图1所示的本发明最简单的形式中，定子绕组16采用在图4中所示的传统接线方案。然而也可以采用其它的定子绕组配置。例如，在定子上绕制两个独立的绕组，以便产生两个不同的输出电压。本发明考虑了这种产生双电压的方法，用于希望既有12伏的输出同时还有更高的电压(通常为48伏)输出的场合。然而，双电压运行的更好方法是利用图4所述的电压变换电路。
本发明还考虑了其它各种方案。例如，在单一的电压结构中，定子绕组可以包含两个独立的定子绕组，一个仅在环绕磁场绕组转子部分的第一区12内部，另一个仅在环绕永久磁铁转子部分的第二区14内部。然后将来自分开的定子绕组的输出根据需要在电气上连接起来，以便提供所需的输出电压。
继续参阅图1，可以看出，在定子的两个区之间存在间隙52。这个间隙应当用低导磁率的材料构成，以便隔离定子的磁化区12和14。该间隙可能是简单的气隙，或者利用低导磁率的固体材料(例如塑料之类)部分地或完全地填充。在定子绕组16从第一区12穿过该间隙延伸到第二区14的地方，该间隙可以利用在垂直转子方向上与定子具有相同横断面形状的材料来填充，从而提供连续的槽18，在槽18里，可以放置构成绕组16的定子导线。复合式交流发电机-通过定子的径向冷却槽
在优选实施例中，在定子部分12和14之间的气隙52不是密封的，而是对外部空气敞通的。冷却空气经过定子部分之间的空气隙52进入交流发电机的内部，然后利用在交流发电机的一端或两端的风扇(未示出)将空气从交流发电机端部导出。
对于图1所示的定子，两个部分的几何形状使得冷空气流可以导入最需要冷却的交流发电机的中部区域。这种结构增强了发电机热能耗散能力从而获得最大输出功率密度。气隙最好装有一轴向的垫圈，上面有一系列的径向开孔，它们使垫圈圆周部分表面积的约85％以上对气隙开通，使冷却空气进入交流发电机的最热的部分。与空气在这一区间仅有纵向流动的现有技术相比，箭头53表示冷却空气径向经过定子进入交流发电机内部的入口。
径向通过定子的空气可流经转子和定子之间的气隙。磁场绕组转子部分也可以设有空气流动开孔，它们与永久磁铁部分中的空气流动通道50轴向成一直线。经过定子铁芯吸入交流发电机中心的空气流经大部分定子线圈、部分磁场线圈和二极管，以及通过永久磁铁部分。
通过在定子铁芯垫圈和在转子部分设有空气流动开孔，除了降低交流发电机的温度和提高空气流量以外，还使交流发电机的总重量明显降低。空气流动开孔位于交流发电机的非主要磁路上。因而，附加这些开孔或空气流动孔并不降低交流发电机的电输出或影响它的效率。
与之对比，现有采用伦德尔或爪形磁极几何形状的交流发电机没有比两端通风提供更多的途径。因为伦德尔或爪形磁极结构是相对实体结构，没有地方能够让空气流动，因而不可能通过定子铁芯的中部通风也不可能经过转子区域通风。
通过提供附加的平行空气流动通道，交流发电机中的冷却风扇不需要太高的压差就能使指定容积的空气流过。这既降低了交流发电机的噪声，又允许改变风扇叶片直径和叶片设计，从而降低交流发电机的总体尺寸。
空气流动对使永久磁铁的温度在所有的运行状态下保持尽可能地低，是特别有价值的。这提高了交流发电机的输出，并将高温下的去磁风险降至最小。这就使得处在现代汽车车盖下方高温状态下的交流发电机能产生最大可能额定输出。
电压调节器-两种基本状态的PWM调节器
为了维持交流发电机的预期的恒定输出电压，需要向转子绕组28提供正向或反向激磁电流，电流变化方式与在图5中所示的相似。在图4中表示了适于实现这一目的的转子激磁电路。来自定子的整流输出64在合成器电路82中与参与电压80相比较，从输出电压64中减去参考电压，并沿线84向函数发生器86提供误差信号。
当输出电压64低于参考电压80时，由函数发生器控制的调制器88经过滑环31、32向磁场绕组28提供正向激磁电流。通常将参考电压设定为蓄电池62的预期充电电压。当输出电压64上升超过参考电压80时，函数发生器向磁场绕组28提供反向激磁电流。
函数发生器86其作用就象一个放大器补偿功能块，当需要提供正向或反向磁场电流并产生所需的输出电压时，对调制器88进行控制。所产生的放大和补偿的大小取决于线84上的这个误差信号。该误差信号是由在64的输出电压与参考电压80之间的误差来确定的。
函数发生器86和调制器88可以简单地提供稳定的正向或反向励磁电流，稳定即为非开关的、非脉冲的连续的线性变量，以便产生所需的输出，并线性地将误差信号84降到零。这就产生了一个线性调节系统，在这个系统中调制器88的线性输出与要产生所需输出电压的平均电流相同。不过，平均电流只需近似达到所需的数值，所以较好的调节方法就是让函数发生器86和调制器88采用脉冲来调节通过转子绕组28的平均电流。正极性的脉冲产生正向电压加在磁场绕组上，反极性的脉冲产生反向电压加在其上。脉冲宽度的改变能使通过磁场绕组的平均电流得到改变。这就得到了一种有效的电路设计控制平均磁场电流的幅值和方向，这就构成了基本的两状态脉冲宽度调制(PWM)电压调节电路，在正向和反向极性方式之间直接交替进行转换。
电压调节器-双电压交流发电机
转子激磁电路包含元件80～88，其能在64提供恒定的输出电压，向各电路供电和使蓄电池62充电。假如交流发电机是单电压交流发电机，这就足够了。假如交流发电机是双电压的交流发电机，则通带将采用两个替换设计方案的其中之一。在最简单的设计方案中，如前所述定子将装有第二绕组。误差信号84可以根据两个定子绕组之一的输出来决定，当调节第一个输出时，第二个输出只能被动跟随。
另外，可以采用作为两个绕组输出电压函数的误差信号，此时对任一输出都不能进行精确调节，却能使两者保持在接近由复合误差信号决定的预期数值上。
然而，图4表示是根据本发明设计的双输出电压交流发电机的最好方案。在该设计中，交流发电机是单输出电压，但输出端64产生的恒定电压较高，用于具有较高电压的蓄电池62。
第二电压不是由第二绕组产生，而是由电压变换电路90产生。按照与上述激磁电路相似的方式，在合成电路98中将参考电压94与连接到第二蓄电池92的输出电压96进行求和，以便在线100上产生误差信号。
函数发生器102控制调制器104。调制器104产生一系列脉冲使开关106导通和关断。这种开关式电源是常规的，并产生一调节输出的电压，利用电容器108和线圈110进行滤波。
用于开关式调节器的电压源，其电压必须高于调节器的输出电压，可以沿线114连到输出端64或者沿虚线116直接到定子绕组16。
通常，会选择这一个或另一个电源，并沿线114或116进行永久性的连接，而不是经过开关118连接。
复合式交流发电机-轴向磁化的永久磁铁
图6表示交流发电机的第一实施例，用200表示，它采用具有多个磁化磁极的一对实芯圆盘形永久磁铁210和212。该圆盘可以由永磁材料粘接而成。定子214基本上与在前述实施例中介绍的定子14相类似，因而仅用轮廓线予以表示。通常它包括的三相绕组绕在由优质电工钢制成的叠层或铸造定子的线槽中。假如需要，在双电压输出方案中可以采用双绕组。
与前述定子气隙52相对应的定子气隙可以在磁场绕组转子部分的任一侧采纳使用，以便永久磁铁部分对应的定子和磁场绕组部分对应的定子相隔离。可以采用与在图1-3所表示的方案相类似的单一永久磁铁部分，或者采用如在图6所示实施例中的双永久磁铁部分，双磁铁之间由磁场绕组转子部分纵向隔开。
图7单独表示了实芯圆盘永久磁铁元件。它可以由分立永久磁铁元件制成，不过最好由一整片制成，沿着它的厚度方向磁化，当组装时沿与轴平行的纵向磁化。它与图1和图3表示的永久磁铁的磁化方向成90°，在图1和图3中沿径向而不是沿纵向磁化。
为了发电，转子的磁力线必须穿过转子和定子之间的气隙216，并切割定子绕组。因为是纵向磁场，必须使磁通转向，指向气隙。通常利用参考数码218表示的磁通引导元件来实现这一点，该元件由图8和图9中所示的多个极靴220构成。极靴200将来自永久磁铁圆盘210的磁通转向到气隙216，以便穿过定子绕组。第二磁通引导元件包含一磁通返回板222。采用两个磁通返回板，位于在转子的二端面上，每个磁性圆盘一个。
通过形成实芯圆盘永久磁铁并改变磁化方向，机械强度得到改进，增大了磁铁尺寸和表面积。这就保证了固有强度，并使得从很大圆盘表面引出的磁通在引导到气隙时被极靴220加以集中。
在该实施例的优选结构中，极靴220中具有开口224，转子绕组的延伸部分缠绕在开口上。这种形状加强了绕组的强度，使得能够在很高的转速下不会损坏危及转子。
端板222，永久磁铁圆盘210、极靴220和绕组转子由穿过极靴上的228孔及圆盘上的230孔的铆钉226固定在一起。
图6中各转子元件在轴22上的安装方法与图1所示的方法相同。轴22的轴颈安装在轴承盖中，并具有与电刷接触的滑环，用于向激磁绕组转子部分提供电流。电压输出与调节与前述相同。
复合式交流发电机-沿圆周方向磁化的永久磁铁
图10和11表示本发明的另一个实施例，一般用参考数码300表示。在该实施例中，将永久磁铁埋置在由非磁性材料例如铝制成的护圈304中，该护圈环绕转子轴22形成一个毂环。该护圈将磁铁与毂环进行磁隔离并可靠地将其固定。
与先前的两种方案一样，永久磁铁302沿着它的厚度方向被磁化。然而，它们按照第三种磁化方向安装，也就是沿相对于轴的圆周方向。将图11中的嵌入式磁铁插入到非磁性的护圈中，在沿圆周方向邻近和介于各磁铁302之间的各磁通引导元件306之间交替定向。磁通引导元件306是由高导磁率材料制成的。它们如箭头308所示，将来自磁铁的磁通导引到转子和定子之间的气隙。
这种设计方案与图6-9所示方案一样，能够在很小的空间中使用相对大量的永久磁铁材料，并使磁通在转子周边被集中。在某些应用场合，这就允许人们采用较价廉的永久磁铁，以降低成本。在利用高性能磁铁的场合，图1-3所示的方案可能更好。
定子310与图1-3中所示的定子基本相同。非磁性端盖312为磁场绕组314的转子延伸部分提供支承。用于转子绕组的类似端盖可以与磁铁护圈合为一体，或者可以作为一个零件。应当注意，这个端盖与在图6中所示的磁性材料片220的外表相似，但在这一方案中它是由非磁性材料构成的，在图6所示方案中则是由永磁材料构成的。
电压调节器-三态方案
图12表示桥式三态电压调节器的第一优选实施例的方块示意图。电压调节器控制上述复合式交流发电机转子绕组400上流过的双向电流。该调节器还可以用于其它需要三态控制的交流发电机上。转子绕组400与转子的永久磁铁部分一起在复合型交流发电机的定子绕组402、404、406中产生磁通。
通过利用4个形成桥式开关电路的开关408、410、412和414来实现双向电流流动。第一上部开关408连接到绕组400的第一端，并与第一下部开关414构成第一对开关。当这些开关闭合时，转子绕组400的第一端沿着正母线418连接到蓄电池416的正端，转子绕组400的第二端沿着接地线420连接到蓄电池416的负端。当第一对开关408、414闭合时。电压调节器处于正向极性模式或增压模式，正向电流从与开关408连接的转子绕组400的第一端流向连接到开关414的转子绕组100的第二端。
第二上部开关410与第二下部开关412构成第二对开关。当第二对开关闭合时，转子绕组400的第二端头接到正母线418上，而第一端头接到地线420上。在这种结构下，电压调节器就称为处于反极性方式，或减磁方式。提供控制逻辑使这些方式相互不能共存。绕组400是绕在转子上，所以在正极方式下，正向电流产生的磁通就加到了由转子永磁体部分产生的磁通上。
相反在反向极性模式下，流经转子绕组400的反向电流产生反极性的磁通，其与来自永久磁铁的磁通相减。
为了调节复合式交流发电机的输出，现有技术如前文基本PWM调节器中所介绍的。只简单地使转子绕组400在正向和反向极性模式之间进行转换。仅工作在这两种模式的电压调节器可以称为两态PWM电压调节器。当需要增加输出时，将电压调节器转换到正向极性模式，当需要降低输出时，则转换到反向极性模式。
然而，如上所述，当通过开关408和414已经在转子绕组400中产生正向电流时，相当大的能量存储在由绕组400产生的磁场中。假如第一对开关408和414立即断开而第二对开关410、412立即闭合，在正向极性模式下产生的电流将继续流动，随着转子绕组400产生的磁场缓慢地衰减。在某些情况下，当反向电流通过第二上部开关410和第二下部开关412时，这一正向电流仍继续流动。此时它作为反向电流出现在正母线418上。假如该母线上的净负载很低，并装有蓄电池416，这一反向电流一般会流入蓄电池对其稍微充电。然而，在没有蓄电池或出现其它类似情况时，产生很大的电压脉冲峰值，可能损坏车辆各种元件。
这些脉冲峰值和车辆电气系统负载变化所引起的其它冲击，可以通过在蓄电池416的正母线端418和接地端420之间接一电容器来吸收。然而，具有足够容易并且温度额定值适于在车盖下方工作的电容器将是非常昂贵的。
因此，电压调节器的优选实施例采用了可以称为三态电压调节器的设计方案。在这种结构中，为了在绕组400中起始形成正向电流或为了增加已有的正向电流，电压调节器采用正常的正向极性模式。反向极性模式用于起始形成反向电流或增加反向电流的幅值。第三种模式这里称为衰减模式，是在电压调节器脱离正向或反向极性模式以后进入的模式。
在衰减模式中(也可以认为是零电压或零极性模式)，在另两种模式之一下产生的电流通过转子绕组形成环流并衰减到零，而不会在其它电路上感应出危险电压。这种衰减模式是在脱离另两种模式之一时存在衰减电流的情况下进入的，以防止直接由正向极性方式直接转变到反向极性模式，或者进行相反的转变，这种转变将导致反向电流施加到供电电源母线上。
熟悉四元件桥式电路(例如全波电路、桥式整流电路以及其它类似电路)的人都知道，在使用常规桥式电路时，斜对的两个元件构成一对，应同时导通。因此，第一对开关在第一种状态导通，第二对开关在第二种状态下导通。在三态设计方案中，正对的两个元件(不是斜对的)同时断开，使电流注经其余的两个元件，形成衰减环流模式。
例如，在正向极性模式下，开关408和414闭合。在衰减模式下，开关408断开而开关414维持闭合。在本发明的某些实施方案中，这时将开关412闭合，从而提供一条正向通过第一下部开关414，并反向通过第二下部开关412返回的通道。然而正如下文更充分讨论的，开关412和414是半导体开关，最好是场效应管，因为场效应管在反向模式下能通过内部的二极管导通，无需为了闭合开关而施加控制信号。当反向电流流过内部二极管时，二极管上产生电压降，可用它检测衰减电流的存在。
通过使衰减电流流经上部开关408和410，也可以实现衰减模式。
继续参阅图12，由转子绕组400和永久磁铁形成的合成磁通在定子绕组402、404和406上产生电压，然后经由6个二极管422、424、426、428、430和432组成的常规三相全波整流桥整流。这6个二极管对应于图4中的二极管60。整流输出经正电源母线418向蓄电池416馈电，并经接到电源母线418上的连线(未示出)向车辆的电气负载供电。
利用电压监测电路436经线434监测交流发电机的输出电压。电压监测电路将交流发电机的输出电压和来自电压参考电路的参考电压相比较，并在线440上产生一个误差信号。
误差信号440接到控制电路442的输入端。控制电路442包括基本电路444、衰减电流检测电路446和逻辑电路448。基本电路直接响应于经线440输入的监测电路的误差信号，并产生一个或多个基本控制信号，控制逻辑电路448，以便增加或降低交流发电机的输出。
在基本的两态PWM调节器中，当希望增加输出时，基本控制信号被用来使第一对开关导通；希望降低输出时，使第二对开关导通。
然而，在本发明中，在第二级控制信号产生之前，利用由衰减电流检测电路446得到的信息在逻辑电路448中对基本控制信号进行修正。第二级控制信号沿控制线450、452、454和456分别控制开关408、410、412和414的工作状态。
衰减电流检测电路446用于监测转子绕组400中的衰减电流。在优选方案中，这种监测通过衰减电流检测电路446与绕组400第一端的连线458，及与第二端的连线460按常规方式实现。衰减电流检测电路446产生一个或多个禁止信号，经线462和464施加到逻辑电路448的输入端。本技术领域的专业人员都知道，还有其它监测绕组400中衰减电流的方法。
自动联锁和内部电压调节器电源
三个附加的二极管466、468和470向产生Vcc的内部电源472提供独立电源，内部电源472为电压调节器提供工作电源。该电压被调节，以便为调节器提供控制电压电源。由于复合式交流发电机包含永久磁铁和磁场绕组两部分，一旦交流发电机开始运转就开始产生电压。随着电压升高，产生足够的电压向电子电路供电，从而产生附加的增压磁场。所有这一切在车辆达到空转速度之前就产生了，所以在空转时，电压调节器进入正常工作状态。
电压调节系统具有自动联锁功能，当交流发电机不运转时，电压调节器回路被断开，吸收的磁场电流和控制电流几乎为零；但是当交流发电机速度上升时，自动接入电压调节器电子电路。
在复合式交流发电机中自动联锁是十分重要的，因为当系统工作在高速状态时，励磁电流绝不应该突然关断，以免产生严重的过电压和过电流。这与现在点火开关能断开励磁电流的交流发电机形成鲜明的对比。重要的是，当车辆停运，发动机停车时，交流发电机励磁电流应为零，以避免蓄电池漏电，但是仅仅根据点火开关并不能作到这一点。这是因为当交流发电机高速运行时，点火可能偶然被切断。
图13是与图12的方块图相对应的详细电路图。蓄电池416连接到6个桥式整流器输出二极管422-432上，而二极管按图12所示方式连接到定子绕组402、404和406上。定子绕组402、404和406在图13上没有表示，不过它们的连接完全是常规的。
内部电源472包含NPN型晶体管502和稳定晶体管输出电压Vcc的齐纳二极管500。也可使用三端电压调节器件和其它电压调节电路。
蓄电池电压416经线434在电阻桥504、506和508上产生电压降，电压监测电路436通过此电压降监测蓄电池电压，电阻506是可调的，以调整调节器的输出电压。交流发电机的标定输出电压与来自电压参考电路438的参考电压在误差放大器510中相比较。
电压监测电路进行误差放大和回路补偿。来自参考电压源438的参考电压提供到误差放大器510的一个输入端，另一个输入端连接到蓄电池电压分压器。利用误差放大器510反相输入端和输出端之间的容性反馈网络实现积分补偿。该补偿网络用参照箭头512指明。该网络在交流发电机整个速度和负载范围内，消除了调节器电压的DC误差。
误差放大器的输出是放大了的误差信号，经线440提供到控制电路442的基本电路部分444。误差信号提供给起两态调制器作用的迟滞反相器516。当交流发电机输出太高时，误差信号440比较低，迟滞反相器516的输出将变高。这一高电平信号将使交流发电机的净磁场减弱。而当516的输出为低时，交流发电机的净磁场将增强。
基本电路444在线518、520、522和524上产生四个基本控制信号。基本控制信号518直接取自两态调制器516的输出，而基本控制信号520是信号518的反相信号。基本控制信号520，是由反相器526产生的。控制信号518和520可用于驱动两态基本PWM调节器中桥式转换电路的一对对角开关。基本控制信号是本文所述改进控制的基础，由其产生的二级信号完成开关控制。
反相器516的滞后作用与误差放大器436的增益和动态特性结合，控制电压误差并确定回路的自然振荡频率。基本反相器516的功能还可由具有锯齿波振荡器和相应元件的脉冲宽度调节器来实现，然而，这种方案太复杂，比图13所示的简单数字电路更昂贵。
如图13所示，516正反馈电阻组成的磁滞转换器可以用图15中的改进电路替代，该电路揭示了由516和其周围的电阻电容反馈网络组成一个磁滞调制器。在这个改进电路中比较器/运放元件516包括了反馈到正端和提供一个磁滞调制器的第一级到负反馈侧的滤波器部分。这个电路提供了改进的调节器动态特性，与图13中相应元件部分比较，它允许调制器频率设置在该环路的分隔频率(Loop crossover frequency)之上。
由反相器528和530产生的基本控制信号522和524是518和520的延时拷贝。迟滞反相器516的输出经参考箭头532所示的简单阻容延时电路延时，因此，基本控制信号522是520的延时版本，而524则是518的延时版本。基本控制信号518和520用于向逻辑电路448提供输入，电路448最终产生第二级控制信号，以便转换各开关导引电流通过绕组400。
图12中的开关转换元件408、410、412和414对应于图13中具有相关驱动电路的场效应管(FET)534、536、538和540。当FET534和FET 540导通时，交流发电机处于正向极性模式。当FET 536和538导通时，交流发电机处于反向极性模式。当两个上部的FET或两个下部的FET关断时，交流发电机处于衰减模式，表明蓄电池或交流发电机输出电压没有加到绕组400上。
本发明的不同实施方案为可以关断两个上部开关，以便断开绕组400与蓄电池的连接，也可以关断两个下部开关。还可以采用其它结构将零电压提供到绕组400上。
除了将绕组400从蓄电池断开之外，绕组的连接方式应使电流可以衰减，不会在电压调节器其余电路中或汽车中的别处产生危险电压。实现这一点是让衰减电流经过两个连接到绕组400两端的开关进行环流。在图13所示的优选方案中，经过下面两个FET形成环流电路。然而，也可以经上面两个FET或通过其它元件形成环流电路。
FET538和540可以被导通以便形成环流电路，然而，FET的内部二极管，使FET即使没有偏置，也可以通过反向电流。当538和540截止时，衰减环流在FET的内部二极管二端产生电压，利用经引线458和460连接到绕组400第一端和第二端的衰减电流检测电路446对该电压进行检测。
在正向或反向极性模式中，当FET的漏极为高电位时，二极管542和544将比较器546和548与FET隔离。比较器546和548的一端接有由分压器和电压参考源438 Vref得到的参考电压，另一端的电压，比近于零的FET漏极电压高一个二极管压降，并经过滤波处理。二极管542和544将该电压电平提高一个二极管压降，因此比较器546和548的输入端上不会出现负电压。
图13中的逻辑电路448利用逻辑门550、552、554、556、558、560和562来构成。按照这些门电路构成的逻辑电路接收基本控制信号和经引线462和464输入的来自衰减电流检测电路446禁止信号，在引线450、452、454、456上产生第二级控制信号。
当第二级控制信号例如第二级控制信号454变为高电平时，与其相关的FET例如FET 534导通。由门电路550、552和554所执行的逻辑功能与由门556、558、560和562所执行的逻辑功能是相同的。使用不同的逻辑元件来实施相同的逻辑功能是为了充分利用两个逻辑芯片。逻辑门550和562分别控制上部FET534和536。
逻辑门550是一个三输入AND门。仅当三输入AND门的三个输入电平都为高时，其输出才为高电平并使相应的FET 534导通。这三个输入是：未经延时的基本PWM控制信号518、经延时的基本PWM控制信号524，以及来自衰减电流监测电路中监测FET 540反向电流的禁止信号464。
禁止信号464的存在表明在绕组400中存在反向极性模式下产生的反向衰减电流。禁止信号464使第二下部FET 538保持导通，同时立即使在其上方的FET 534禁止导通。一旦在反向极性模式下产生的电流衰减到足够小的值，禁止信号464转变状态，允许电路改变工作模式。
虽然激磁电压有三种模式即正向极性模式、反向极性模式和衰减模式，实际上FET有四种不同状态。在正向极性模式下，FET 534和540导通。在反向极性模式下，FET 536和538导通。在衰减模式(有两种状态)FET 534和536两者都关断。
衰减模式有两种不同的状态，即正向衰减模式和反向衰减模式。在正向衰减模式，使在正向极性模式下产生的电流衰减，FET 540保持导通，FET 538维持关断，但是经过它的内部二极管导通。在正向衰减模式下，衰减电流沿与正向极性模式下电流的相同方向继续流经绕组400。在反向衰减模式，FET 538导通，FET 540关断，但是经过它的内部二极管导通，反向电流经过绕组400顺流经过FET 538并经过FET540形成环流。
本发明采用桥式电路，以便实现绕组400的双向激磁。电压监测电路436提供基本的误差放大，以便在线440上产生误差信号。电压调节回路包含补偿组件，控制回路频率响应，以便对蓄电池平均电压进行严密的控制。补偿放大器输出的误差信号440驱动脉宽调制器，或者其它两态调制器，调制器间接驱动全波桥式输出级电路，以便为跨接在电桥中心接头上的绕组400提供双向电流。
逻辑电路448修正基本电路444的输出，以便在磁场电流幅值减小过程中，使近于零的励磁电压施加到绕组400上，从而构成第三种状态。来自基本电路444的基本控制信号直接用作使电桥的斜对方向的一对开关导通。然而当磁场电流的幅值要降低时，采用零电压激励方式。
当利用来自单元444的基本控制信号控制磁场电流的瞬时幅值增加时，可通过使电桥上适当的对角元件导通，将具有适当极性的全额母线电压施加到磁场绕组上。然而，当磁场绕组电流幅值被降低时，只有先前导通的一对对角开关中的上部开关被关断。通过使下部对角开关延时关断和斜对侧两个开关延时导通，原上部开关中流动的感性磁场电流立即转变为在被关断开关下方那个开关中流动的反向电流。
由于前述的开关延时关断，在下部对角开关中的电流继续流动。由于另一个下部开关中反向电流的存在，原下部对角开关维持导通。如果反向导通的电力开关是图13所示的FET，当该开关延时导通时，反向电流首先通过FET的本征二极管，产生一个大约-0.6伏的电压降。假如下部反向导通的FET被触发导通，反向环流将经电阻流过FET，形成较低的电压降。
如上所述，在电流衰减过程中，反向导通的FET保持关断，以便利用FET本征二极管上的电压降作为衰减磁场电流存在的标志。即使是对很小的电流，非线性的二极管特性也能提供适当的电压电平，因此，可以利用形如546和548的简单电压比较器检测磁场电流的存在。当本征二极管电压比由参考电压源438和电阻分压器设定的阈值更负时，表明存在反向电流。
当比较器指明在反向导通的开关中存在磁场电流时，利用比较器信号禁止驱动另外两个对角元件，并使通有衰减电流的下部FET保持导通。在比较器指明磁场电流近于零之后，按照来自基本电路444的基本控制信号激励另一对对角电桥元件是安全的。在零磁场电流下导通另一对对角元件不会将任何反向电流引入到母线上，并且假如蓄电池被断开或系统负载很少，也不会引起有害的电压脉冲峰值。
控制逻辑和三态调节方法
基本控制回路包括监测线434上输出的电压监测电路436，以及根据蓄电池电压和参考电压438之差工作的误差放大器。经放大的误差信号驱动包含在基本电路444中的脉宽调制器或其它两态调节器，以便产生基本控制信号，基本控制信号包括两态调制器输出端的PWM信号、反相的PWM信号和这两种信号的延时信号。基本PWM控制信号在通态和断态之间转换。处于通态时，控制一对对角元件导通，处于断态时，另一对对角元件导通，反之亦然。由于这两种状态基本上是断续发生的，最好采用数字逻辑电路实现控制系统。
通过延时、禁止和其它信号，修正改进实际开关指令，以便产生更复杂的开关结构并避免反向母线电流出现，如下所述。
增加绕组400中的磁场电流幅值时，适当的一对对角电桥开关全导通。然而，为了避免反向电流流入母线，应控制电桥使磁场电流在仅包含下部开关的环流回路中自然衰减，而不是利用来自母线的反向激励强通电流更快地衰减。为了实现这种自然衰减，两个上部元件被关断，衰减的磁场电流经下部电桥元件构成环流。一个下部电桥元件正向导通，而另一个元件反向导通。这种自然衰减持续进行直到与迟滞反相器516相对应的两态调制器再次改变其状态或磁场绕组电流变到零。
在第一种情况下，原来导通的一对再次变为导通。在后一种情况下，当磁场绕组电流变为零时，另一对对角开关变为导通。在衰减电流接近零之前，通过禁止另一对对角开关导通，实现电流的自然衰减。因此，优选方案有多种运行状态：按输出开关状态分，有4种运行状态；假如忽略开关器件的压降，按磁场绕组上的瞬时电压分，则有3种状态。瞬时磁场绕组电压的三种状态是：正蓄电池电压状态，零电压状态和负蓄电池电压状态。
本发明采用如下步骤控制开关运行：
(1)根据未延时的PWM关断指令立即关断上部开关器件；
(2)当上部开关器件关断时，延时关断下部元件，而所有电桥元件则需在经相同甚至更长的时间延时以后才能导通，以便在下部电桥元件中自动产生环流。
(3)每个下部开关上的阈值比较器指示该器件中反向电流(衰减的磁场电流)的存在，由此形成的逻辑信号用于完成如下功能：
a)禁止驱动反向导通的FET开关，以避免干扰阈值电压测量；
b)禁止驱动导通另一个上部开关，因为其下方开关将导通形成衰减环流；
c)迫使另一下部FET维持导通以便通过衰减环流；
d)假如在磁场电流变到零以前，基本控制信号返回到它的原来状态，原来输出的那对对角器件将恢复导通，磁场绕组电流的幅值再次增加。当运行在恒定转速和固定负载时，这是正常的运行方式。系统将运行在两种状态之间，在一种状态下利用母线电压驱动磁场绕组，对于另一种状态，在下部FET中利用环流使磁场衰减。零驱电压之后出现的全驱动电压其运行方式与原先相同，与平均磁场电流的方向无关。因此，在交流发电机转速较低负载固定的正常运行情况下，交流发电机将在正向极性模式和衰减模式之间(更确切地说，在正向极性模式和正向衰减模式之间)循环。当交流发电机运行在相对高的转速下，交流发电机将在反向极性模式和衰减模式之间(再确切地说，在反向极性模式和反向衰减模式之间)循环。在正向或反向极性模式与衰减模式之间的这些循环过程中，基本控制信号518将在导通和关断状态之间交替变化。
e)只有磁场电流在基本信号518返回到它的原有状态前就变为零的情况下，才能导通另一对电桥元件，使转子绕组400中的电流改变方向。假如平均磁场电流近于零或者交流发电机的转速或负载突然变化，将产生这种运行状况。
温度监视电压调节器
图13A提供的是根据本发明的温度监视电压调节器的一个较佳实施例，该电路与图13中三态电压调节器的电路图基本上相对应，只是电压监视回路436已经修改，采用温度传感器509取代电阻508。
所安装的温度传感器509与复合式交流发电机热接触，这样就能监视发电机的温度，并且它还有一个随温度变化的可变电阻。安装温度传感器的较佳位置是与输出二极管422-432一起在一个公共散热片上。别的安装位置也可以。总之，安装位置最好是在对发电机最热敏感的元部件的附近处或由发电机产生最多热量的位置。
温度传感器509的作用就是当发电机温度接近或超过预定的温度时，调整电压监控制电路(线440上)输出的误差信号值。在图13A所示的实施例中，温度传感器509最好选为具有正温度系数(PTC)的热敏电阻。这种PTC热敏电阻传感器是具有温度非线性功能的一个电阻。当温度低于一个临界温度值时，PTC热敏电阻是一个相对恒定的电阻。
这个恒定电阻反映在由电阻504、506和传感器509组成的电阻分压器上，并且电压调节器的工作情况，完全就象图13中包括电阻508的情况一样。这就在误差信号放大器510的输入端产生了一个电压，该电压与发电机的输出电压成正比。如果发电机电压随负荷变化而升或降，相对于438的参考电压这个升或降就被误差放大器检测到，象前面所述，发电机的输出就被调整，以保持所需的输出电压恒定。
不过当发电机开始过热，并接近热敏电阻的临界温度时，热敏电阻值开始急剧增加。在电阻分压器上温度传感器509两端的输出电压部分也相应地增加。当发电机输出电压明显增加时，误差信号放大器510就检测出了这个电压增加，并且相应地开始减小输出电压。当发电机输出电压降低时，其输出功率也降低，并且检测到的发电机温度就下降。结果发电机就能产生出比额定输出功率大得多的功率值，只要此时热敏电阻的温度维持低于其临界温度即可。
只要挑选合适的热敏电阻，使其具有一个理想的随温度变化的可变阻值，那么复合式交流发电机想要的任何最高工作温度都可以设置。这里所说的具有温度监视调节器的专门设计的复合式交流发电机将能够在发动机任何速度下，以及任何外界温度下提供出连续的额定满出力。它将能够在发动机刚一开始转动发电机就提供这种功率。
在大于怠速时，复合式发电机能提供出比额定满出力大得多的功率。甚至在最恶劣的高温环境下，仍能短时超额率输出，一直到发电机达到由温度传感器和所设计的电压调节器预置的最大工作温度值为止。此外，还要受到发电机所设计的冷却系统的限制，以便能产生连续的额定满出力。
与最恶劣的高温环境比，环境温度越低，发电机所能连续产生的输出功率值就越比额定输出功率大。这就假设：发动机正在飞快地转动，发电机的输出不受转子绕组与永磁体一起产生的磁通的限制。
如果发电机的负荷非常大，以致于超过了其冷却能力，那么温度监视电压调节器就会使发电机输出电压减小。发电机的输出功率减小到刚够连续地维持发电机正好在或在热敏电阻临界温度值附近，即在发电机的最大安全工作温度。在这种方式下，发电机在超过额定输出时保护它不会因过热损坏。
熟悉本专业的人都会知道，负温度系数(NTC)电阻装置或等效电路也可以用来代替正温度系数PTC热敏电阻509，方法就是用NTC元件替换电阻分压器上支路的电阻504，并且在下支路中再接入电阻508。另外，温度传感器的可变电阻可用来修正在误差放大器510另一输入上由该误差放大器所检测的参考电压。这可以采用类似图13A中电阻桥来实现，所不同的就是在误差放大器的非反相输入端放置这个桥，并在该桥上加上参考电压。由于温度的变化可变电阻会改变参考电压值，因而就会修改误差信号，以便控制输出电压和输出功率。
其它类型的温度传感器，如热电偶、温度敏感二极管等等，同时增加另外一些电路，也可以采用，还有，虽然该较佳实施例是基于三态电压调节器设计，但是如图4中的二态电压调节器也可以使用。对本发明中二态电压调节器设计的必要修改与上述三态设计中的修改情况完全对应。较佳的是电阻桥由一个随温度变化的非线性可变电阻的传感器组成，并且这个桥接在加法电路82输入端的其中一个上，以便修正所测的发电机的输出电压，或修正参考电压。在这两种情况下，电阻桥在发电机达到最大要求的工作温度时将去减小发电机的输出电压。
暂态电压抑制
图13所示的电压调节器采用一种独特的方法抑制暂态瞬变电压，例如，在汽车业中众所周知的，由典型的“卸载”产生的暂态电压。卸载是指蓄电池的重负载突然断开或者当输出大电流时蓄电池本身被断开。在这种状况下，需要一种抑制器，以便吸收在交流发电机绕组中存储的电感能量。本电压调节器使用齐纳二极管580及二极管582、584、586和588，以导通电桥上的FET二极管，使得电桥FET能够吸收暂态电压。FET器件能够有效地吸收大功率脉冲，因此，在产生暂态电压时适当控制电桥装置就能使这些器件完成双重功能。
其余的晶体管和反相器590、592是电桥上各个FET的驱动电路。上部的功率FET534和536直接利用常规的NPN/PNP电平位移电路来驱动。最接近FET门极的PNP晶体管594和596提供有效的门极下拉作用。利用该电路，使FET导通和截止相对变慢，使干扰降低。内磁场电流在全额交变磁场电流和零之间调制时，交流发电机输出电流能产生阶跃变化。由于交流发电机具有一定的输出感抗，故它的电流不能瞬时变化。功率FET上较慢的上升和下降时间部分地减轻了这个问题，由齐纳二极管580及相关二极管582-588构成的电压箝位电路保护FET不会达到它们的击穿电压，击穿电压应比箝位电压略高一点。采用大约27伏的箝位电压。
反相器590和592构成两个充电增压振荡器。振荡器与整流和相关电路(用箭头591和592表示)一起，在线595上产生一个高于蓄电池电压的电压，用于驱动上部功率FET切换蓄电池电压。
中性点特殊连接的交流发电机
图14表示用于复合式交流发电机的新颖接线线路，其中转子绕组600连接到定子绕组602、604和606的中性点。
如上所述，为了增加交流发电机的输出电压，复合式交流发电机的转子绕组600必须利用正向极性电压供电，为降低交流发电机输出必须利用反向极性电压供电。在图12所示的三态电压调节器中，是利用四元件电桥电路中二对对角开关的交替导通，实现极性反向。一对开关将转子绕组连接在蓄电池全电压和地之间，以便产生正向电流；另一对开关将转子绕组按照反极性连接在蓄电池全电压和地之间，从而在绕组上产生反向电流。
电桥电路至少需要4个开关元件才能实现极性反转。然而在图14所示的电路中，仅需要两个开关。转子绕组600的第一端连接到定子绕组的中性点608，第二端连接到电压调节器642中的开关电路624。图14中的交流发电机的中性点608位于三个单独定子绕组602、604和606的中心点上。也可以采用多相绕组，将不同数量的单个定子绕组在一端全都连在一起，形成星形接法。多相定子绕组的电压按常规方式在由二极管612～622组成的多相整流桥中被整流。
因为星形定子绕组的中性点电压约为蓄电池610电压的近二分之一，简单地将转子绕组的对端连接到蓄电池610的正端，就可以在转子绕组600中产生正向电流。另外，为了在转子绕组中产生反向电流，可以将对端接地。
尽管在这种结构中施加到转子绕组上的电压小于在桥式电路中施加的电压，但可以通过调节转子绕组的匝数和阻抗产生同样大小的电流，从而产生所需的磁通。
转子绕组的第二端在蓄电池和地之间的转换是利用仅由两个开关626和628构成的转换电路624实现的。开关626和628受控于控制电路630产生的基本控制信号632和634。控制电路630闭合开关626，断开开关628，以便向转子绕组600提供正向极性电压。断开开关626和闭合开关628向转子绕组600提供反向电压。通过以互补的方式驱动各开关和使占空比在百分之零到100之间变化，可以控制磁场绕组上的平均电压在全额增压和全额减压之间变化，以适应不同速度和负载。
在正向极性模式下，电流从蓄电池流出通过开关626、转子绕组600到中性点608，然后经过各个定子绕组602-606以及桥接二极管612-622返回。流经某个定子绕组和桥接二极管的电路，其数值决定于交流发电机的相别，并随交流发电机的旋转而改变。
监测电路636通过将输出电压638和参考电压640相比较来监测输出电压。电压调节器642基本上是先前介绍的基本类型的两态PWM电压调节器。然而，不是利用基本控制信号使桥式电路中各对对角开关导通和关断，而是将基本控制信号仅用于使两个单个的开关626和628导通和截止。
在将基本的两态PWM控制方式用于电压调节器时，因转子绕组的一端与中性点连结，只需使用两个开关，所以电压调节器的成本显著降低。
采用转子绕组与中性点相连接的方式还有另外一个优点，就是在零转速时，交流发电机磁场电流自动变为零。因此当点火被切断时，为了断开交流发电机电流，不必对交流发电机采取禁止驱动措施。电子控制电路消耗的功率可以设计得很小，因此可以继续运行，而不必担心蓄电池放电。这种方式实现了前面介绍的自动联锁功能，当交流发电机开始旋转时自动向调节器供电，当交流发电机停止旋转时，自动停止供电。
控制电路630可以是简单的两态迟滞放大器、具有滞后功能的反相器、靠反馈产生滞后的比较器或运算放大器、标准的脉冲宽度调制器等。中性点连接的转子绕组也可以利用线性驱动方式驱动，以便电流在正向最大值和反向最大值之间平滑变化。
由于转子绕组是旋转的，定子绕组是固定的，因此磁场绕组与中性点及开关电路的连接是按照常规的方式经过滑环来实现的。
具有与永磁体和磁场绕组相适配的磁靴的单转子的复合式交流发电机
图16和17表示了本发明的复合式交流发电机的一个替代实施例，复合式交流发电机700包括一个具有纵向定子区704的定子702。一个三相定子绕组706(与图4中绕组706一样)延伸穿过在定子700的内部形成槽708。转子710装在轴712上在定子702内转动。转子710包括铁芯714(在图17中用点划线表示的圆圈内)，并确定多个转子磁极716。磁极716的构造是具有交变的南北极磁场。转子710按传统方式由多块薄片构成，其横断面形状见图17，沿转子轴712相邻叠在一起。另外，转子磁极可以采用固态铸造磁性材料构成。
图17是定子702的定子区704的断面图，转子710就在其中旋转。二个磁极716包括装在端部的永磁体718，以便确定永磁磁极716a和716b。其余的磁极是绕制的转子磁极，并且有一个转子绕组720，在这里位于磁极716a和716b之间的交变磁极以反方向环绕着，以便产生交变的南北极磁场。
永磁体718具有面包条形状，与转子710的曲线或周边相匹配。为永磁磁极一部分的转子磁极体最好是如图17所示的锲形。磁极体也可以做成同样宽度的形状，或采用其它几何形状。另外，虽然图17表明转子710有十个(磁极)716，这里两个磁极是正好相反位置的永磁极，但是也可以采用其它结构。例如，另一种方案可以或多或少地利用二个以上永磁磁极。此外，如果采用多于二个以上的永磁磁极，那么这些磁极的位置相互之间就可以改变。
每块磁体718都要穿过其厚度被磁化，并且安装时其磁化方向如箭头721所示，放射延伸，也即其方向是垂直于轴712或是放射的，正交于磁铁718的大表面。磁铁固定在围绕转子710周边的转子薄片715中的开口中。参见图17A，建议最好把磁体718通过螺丝719固定到转子磁极体717上，该螺丝719是埋头的，与磁铁719的上表面对齐。
如果永磁体一个挨一个放置，那么其中一个磁体的北极必须向外，下一个磁体的北极必须向里，或者是反过来，以便通过整个转子圆周产生交变的南北磁极。永磁体716a 716b都是从同样的材料制造出来的，在讨论图1-3的其它实施例中已讨论过。
薄片715中有多个开孔722，以减少重量，并让冷却气流通过发电机。
图18是类似于图17的更进一步的发电机的实施例。发电机750类似发电机700，并且包括一个具有纵向定子区的定子702和转子752。转子752包括铁芯754(图18中点划线区域内所表示)，并确定了多个转子磁极756。磁极756具有交变的南北极磁场。转子754可以由传统的多个薄片组成，它们的横断面形状如图18所示，沿转子轴712相邻堆积而成。另外，转子磁极可以采用固体铸造磁性材料构成。薄片包括多个开孔755，以减轻重量，并让冷却气流通过发电机。
磁极756a和756b都是永磁磁极，分别包括永磁体758a和758b。永磁体758a将在体部760a和极靴762a之间。永磁铁758b类似地装在体部760b和极靴762b之间。在磁极体和极靴之间装置永磁体改善了转子752的机械完整性，并且在转子转动过程中减小了振动。类似转子710，转子752的其余磁极是环绕的转子磁极，并有转子绕组764，在这里安置在756a和756b之间的交变磁极以反方向环绕，产生交变的南北极磁场。
永磁体758a和758b实际上是长方形的。极靴762a，762b是“面包条”形的，与转子710的曲线或周边相配。不过也可以采用其它形状的极靴和磁铁。虽然图18表示转子752有十个极，这里二个极是位置正好相反的永磁磁极，可以采用其它结构。例如，其它方案可以利用多于或少于二个永磁体。此外，如果采用多于二个永磁体，磁体间的相互位置可以改变。如上所述，对于转子710的永磁体718，永磁体758a和758b通过其厚度被磁化，并安装得使磁化方向如箭头721所示，放射延伸，即该方向与轴712垂直，并正交于磁体的大的表面。参见图18A，建议最好将极靴762a和磁体758a通过螺丝719固定到转子磁极体760a上，这种螺丝是埋头的，与磁极762a的上表面对齐。极靴762b和磁体758都以同样的方式固定到磁极体760b上。
参见图19，是本发明发电机的另一个实施例发电机，发电机800包括定子802，它有一个纵向定子区和一个转子808，该转子装在一个轴上在定子802内进行旋转。三相定子绕组804延伸通过定子802内部的槽806。转子磁极810从转子铁芯812放射式延伸，其如点划区所确定。其中相邻的磁极810产生交变的南北磁场。磁极810a-d是永磁磁极，并且由磁铁814a和814b组成。磁铁814a接近并被装在磁极810a和810b之间。永磁铁814a和814b产生的磁场相对于转子铁芯转轴是圆周取向的。图19中箭头815表明了该磁场。
磁体814a装在磁极810a和810b之间，方法为磁体814a是在转子圆周之内。非磁性材料间隔物816a把转子铁芯812与永磁体814a从磁路上隔离开。间隔物816a可以用诸如铝这样的非磁性材料生产出来。不过也可以采用气隙或间隔，而不用任何非磁性材料。类似地磁体814b接近并装在磁极810c和810d之间。磁体814b装在磁极810c和810d之间，方法为：磁体814b是在转子圆周之内，非磁性材料间隔物816b把转子铁芯812与永磁体814b隔离开。如上所述，也可以采用气隙或间隔而不用非磁性材料。这样磁体814a和814b产生二对相邻的永磁磁极。其余的转子磁极都具有转子绕组818，布置方式为：交变磁极以相反方向环绕，以便产生出交变的南北极磁场。
转子808的设计结构具有很大的优点。一个优点就是：由于磁体814a和814b是直接与钢体转子磁极810a和810b的近端一半串联，可以利用810a和810b磁极的远端一半，相邻的环绕磁极在永磁极对的二侧上。这样，永磁极810a和810b对于相邻的环绕磁场不会出现高磁阻情况，另外一个优点就是：永磁体814a和814b可以用低成本的铁氧体磁性材料做成。前面所述优点也可以用于永磁磁极对上，该磁极对由磁极810c，810d和永磁体814b组成。
虽然对两个正好相反放置的永磁极进行了图示，但也可以采用其它的结构方式。例如，只用一个永磁极对。另外一个例子就是采用二个永磁磁极对，但不是在转子808上径向放置。
设计上可以采用不同的永磁磁极与电磁磁极之比。此外，虽然图17，18和19采用十个转子磁极分别表示转子710，752和808，但是转子的结构也可以限定多于或少于十个磁极。
图17-19的复合式交流发电机可以采用磁场调节器工作，该调节器可以如上所述地工作在减压或升压方式。此外，图17-19的复合式交变发电机实施例可以采用前面所说的二状态电压调节器和三状态电压调节器。另外图17-19的复合式交流发电机可以做成前面所述的中性点所连的发电机。
参见图19a，示出了本发明的发电机的另一实施例。发电机900包括具有纵向定子区的定子902和装在定子902轴上在定子902内转动的转子908。三相定子线圈904延伸穿过在定子902内部形成的槽906。十二个转子磁极910从转子铁芯912中放射式延伸出来。建议铁芯912最好采用非磁性材料，以便使转子铁芯912与永磁体914a-f在磁性上分隔开。这种磁路上的隔离可以防止磁通从具有一个极性的磁体部分穿出，通过转子铁芯912进入另一个具有一个相反极性的磁体部分。例如，非磁性铁芯912就能避免磁通通过铁芯912以及磁体914a的S极和磁体914c的N极之间。这样这种磁路隔离就消除了在隔离点上无用的磁通路径，并且迫使磁通集中朝向工作气隙913，而气隙913在转子908和定子902之间。在较佳的实施例中，铁芯912由非磁性材料做出，如铝，铜，黄铜，塑料和陶瓷。如图19a所示，非磁性铁芯912有一对位置正好相反的楔形阳组件913和915，与其相应配置的阴组件分别为917和919，它们形成在转子908中。这样一种结构就能防止铁芯912相对于转子908的其余部分产生转动。
线槽906的数目最好等于磁极数的三倍。这样，如图19A所示，在定子902的内部就有36个线槽906。磁极910是这样一些磁极，能使相邻的磁极910产生出交变的南北极磁场。磁极910a-h都是永磁磁极，并且由磁体914a-f组成。磁体914a接近并装于磁极910a和910b之间。磁体914b接近并装于磁极910b和910c之间，而磁体914c接近并装于磁极910c和910d之间。类似地磁体914d接近并装在磁极910e和910f之间。磁体914e接近并装在磁极910f和910g之间，磁体914f接近并装在磁极910g和910h之间。
磁体914a-c产生相邻和相近的永磁磁极。类似地，磁体914d-f产生相邻和相近的永磁磁极，这些磁极相对于由磁体914a-c产生的永磁磁极是径向布置的。其余四个转子磁极由电磁极910i-l组成。磁极910i和910j的位置相对于磁极910l和910k正好是相反布置的。磁极910i-l有转子绕组918，其布置方式为，交替的磁极以相反的方向环绕，使之产生出交变的南北极磁场。
磁体914a-f装在磁极之间，方式为磁体914a-f是在转子的圆周之内。永磁体914a-f产生一个相对于转子铁芯转轴圆周取向的磁场。这样，磁体914a-f就在窄的但又是可变的范围上被横向磁化(见图19a中的箭头915)。这样一种磁体结构，在这里称为“集中磁通结构”。
发电机900具有很多优点，一个优点就是由于磁体914a和914e直接串接于钢体转子磁极910a和910d的近端一半，所以磁极910a和910d的远端一半可以分别由相邻环绕的磁极910k和910i利用。此外，永磁磁极910a和910d对相邻环绕的磁场并不呈现出高磁阻。类似地磁体914d和914f直接分别串接于钢体转子910e和910h的近端一半，所以磁极910e和910h的远端一半可以分别由相邻的环绕磁极910l和910j利用。永磁磁极910e和910h对相邻的环绕磁场也不呈现出高磁阻。如上所述这种构造的另外一个优点就是磁体914a-f并不干扰环绕磁场的磁通。发电机900还有一个优点就是十二个转子磁极提供一个输出频率，利用这个频率就可以完成各种与如一辆汽车的机动车工作有关的电子功能。
在一个较佳的实施例中，永磁体914a-f可以用象烧结的铁氧体这样的低成本铁磁材料。不过也可以用其它类型的铁磁材料，如结合的钕，结合的铁氧体或钐钴等。
如图19a所示，磁极910i-l的环绕磁极体都是按预定的距离沿转子铁芯912周边定位的，并且极靴920a-d固定在环绕磁极体上，其方式为十二个极靴等距离隔开，相互一个接一个，围绕着转子的周围。这样的结构为二对相邻环绕的磁极910i，910j和910k，910l提供了很大磁场绕组空间，因此能增加可用的励磁的安匝数和发电机的功率密度。所有十二个磁极体都是不对称间隔的，这样就可以增加可用的空间来放绕组，并增加这一区域内相邻环绕磁场线圈(磁极910i，910j和910k，910l)的空气流动，以减小发电机的工作温度。
在一个较佳的实施例中，转子磁极的磁极体固定在一个磁体和一个环绕磁极之间，如磁极910a，910d，910e和910h，并具有这样一个几何形状(长和宽度)：即相应的磁通之和都是由磁体一端产生的，而环绕的磁极则由另一端产生。这样磁极910a，910d，910e和910h称为发出极(contribution pole)。
磁极910a，910d，910h和910e的磁极体几何形状选择成能让所有的磁极运载预定的磁极磁通量。这样，磁极910a，910d，910e和910h的磁极体几何形状与装在磁体之间的磁极体，或与环绕磁极的磁极体有所不同。例如，如图19a所示，磁极910a，910d，910e和910h的几何形状(即宽度)与所用的装在磁体之间的磁极的磁极体宽度是不同的，因为磁极910a，910d，910e和910h的极体不象磁体910c的极体那样逐渐变细。
这样单叠复合式交流发电机的实施例，如图19a所示，具有下列重要优点：
a)减少了设计复杂程度。例如图19a的设计结构就消除了如图1所示的定子绝缘间隔52；
b)发电机的总体尺寸减小；
c)改进了发电机的冷却和通风，因而减小了过热的可能性；
d)减少了制造成本；
e)功率密度实际上与图1中双叠结构是一样的；
f)输出的频率可以用于完成机动车工作所需要的电子功能；
g)可以采用低成本的铁磁体；
h)防止无用的磁通通过转子铁芯。
虽然展现了八个永磁磁极(两组径向放置的4永磁磁极)，但也可以采用其它结构。例如，可以采用永磁磁极对电磁极的不同比例。此外，转子也可以设计成限定多于或少于十二个转子磁极。例如，转子可以限定8个，10个或14个转子磁极。采用上述变化后，前面提到的优点仍能实现。
图19a的复合式发电机的实施例可以采用能工作为减磁和升磁方式的磁场调节器进行工作，前面已经说明。另外，图19a的复合式发电机可以使用二状态和三状态电压调节器，如前所述，此外图19a的复合式发电机可以做成中性点与发电机相连的方式。
锯齿形转子磁极
参见图20-22，转子磁极850包括磁体部分852和极靴部分854。磁体部分852，从转子铁芯856放射式延伸到末端表面端部858。磁体部分852的纵轴方向基本上与轴860平行，纵向长度为L1，宽度为W1。极靴部分854与末端表面858连接，纵向长度为L2，它比磁体部分长度L1还长，宽度为W2。这样，磁体部分852就从极靴部分854沿着其整个周边，按距离A被锯齿化。图21和22中的点划线853表示磁体部分852的圆周。由于锯齿化极体852会使极体纵向长度减小为L1，所以极体的宽度就要按比例增加到宽度W1，这样可以维持所需的极体横断面积。
转子磁极850可以用铸造的、高磁导率的钢片做成，这里锯齿的形状直接由铸造或用机床加工而成。图23所示的是一个交变的锯齿化的转子磁极结构。转子磁极862由端盖864a，864b和中心体部分866组成。端盖864a，864b是与中心体部分866刚性连接的。中心体部分纵向长度为L3，而每个端盖纵向长度为L4。中心体部分862的总体纵向长度为L1，这与磁极850一样，是L3+2×L4的和。端盖864a包括一个端部865a和一个实体部分867a。实体部分867a和端部865a长度分别为L4和L5。L5和L4之间的长度差由字母A表示。这样实体部分867a就从端部865a按距离A锯齿化。类似地，端盖864b包括端部865b和一个实体部分867b。实体部分867b和端部865b长度分别为L4和L5。L5和L4之间的长度差由字母A表示。这样，实体部分867b就从端部865b，按距离A，对整个实体部分866的圆周进行锯齿化。
锯齿形的距离A可以根据转子磁场绕组所需要的匝数，以及/或者是否要求绕组延伸超过定子环绕的磁场架部分进行变化。转子磁场两端的锯齿形给转子磁极两端提供了一个绕组的自然支撑。这样就不用圆的极靴支撑销了。另外可以实现增加转子磁极的数目，因为转子磁极可以这样环绕，即该绕组延伸不超过转子磁极852的边缘854a，854b和854c，或者磁极862的边缘869a，869b和869c，因而允许转子磁极间隔得更近一些。这个特点也允许环绕的磁场部分24与图1的发电机的永磁转子部分38距离更近一些。由于极体的圆周减小，转子绕组净得的平均匝数减少。因此，这比传统的极体用线要少。用线量的减少又影响到通过绕组的电流的电阻的减小，从而使通过绕组的功率损耗减小。另外，用线量的减少还减轻了重量，以及制造转子的成本。此外，用线量的减少还减小了环绕磁场绕组的厚度，这样便于绕组的热量传送。这就改进了热传导性能，降低了过热的可能性。
上述说明书中提出的发明目的已经完成达到。由于在不脱离本发明构思和范围的情况下，上述结构可以进行某些改变，因此，上述说明书中和附图中包含的所有内容都应被认为是说明性的而不是限制性的。
虽然本发明是以最实际、最可能的实例加以说明描述的，但是，在本发明范围内可能存在许多变种，因此附后的权利要求书对本发明的全部等效物提出权利要求。
因此，根据对本发明的介绍，权利要求如下。