CN101185224A - 高强度放电照明系统和交流发电机电源 - Google Patents

Abstract

一种高强度照明系统包括多个电连接到多相交流发电机的高强度放电灯和机械连接到该交流发电机的原动机。该交流发电机的固有阻抗特性允许灯在没有任何独立镇流器或可比阻抗元件的情况下能被可靠地启动和激励。该交流发电机包括定子，该定子具有从背铁伸出的齿。该齿包括该交流发电机相位，并且线圈围绕着每对的相应齿，该线圈按反方向缠绕并串联起来。该电机优选是一种轴向空气隙装置，其中定子总成具有由低损耗、高频材料制造的磁心。极数允许该电气装置工作在很高的换向频率，具有高效、高功率密度和改进的性能特征。该装置集成的低损耗材料包括非晶体金属，纳米晶金属，优化的硅铁合金，晶粒取向的铁基材料或非晶粒取向的铁基材料。

Description

高强度放电照明系统和交流发电机电源

技术领域

本发明涉及一种照明系统；并且更具体地，涉及一种由多相轴向空气隙交流发电机供电的高强度放电照明系统，其中该相位在磁性上基本不相互影响。

背景技术

高强度照明系统在商业和工业应用中被广泛使用，例如室内和室外的公共场所的照明，包括体育场，竞技场(arenas)，道路，停车场等。这些系统既在永久的固定装置中使用又在诸如夜间施工和紧急或灾难情况中采用的移动装置中使用。

许多这样的系统都采用高强度放电(HID)灯。HID灯的已知种类包括低压汞钠蒸气放电灯，高压钠蒸气放电灯和金属卤化物放电灯。典型地，灯具有透明的玻璃管或更优选具有石英封管，其中至少充满惰性气体和金属材料或金属卤化物材料。这种灯包含至少两个连接到电能源的电极，该电能一般由公用电网(electric utility grid)提供或由诸如内燃机或燃气轮机的原动机机械地供电的交流发电机提供。在一些专门应用中，也可能使用其他的能源，如电池，燃料电池等。

所有这些HID灯种类都具有基本的操作原理，其中放电产生并保持在被电激励的电极之间。这些种类的不同的灯有不同数量的电极和不同的电极配置。然而，一般来讲，所有这些HID灯都是通过将两个或多个电极连接到电源而启动的。通过包含一个或多个热离子或电子的冷阴极发射或气体直接介质击穿的过程，在灯的封管内部产生了自由电子和电离气体。一旦具备足够密度的带电物质，电极之间的电场就会导致电流的建立。原子碰撞过程将灯内一些原子的电子激发到不均衡能量状态，其随后随着光的发射而衰退，其中发射的光可能包括可见光波长和紫外线波长。根据灯的种类和工作条件，该光可能主要处于一个或多个分立的光谱线，或横跨连续光谱波长。

最常见的是，HID灯通过施加足以由于电介质击穿使电弧在电极上起弧的电压来启动。在电流最初开始流动后，该灯进入呈现负电阻部分的工作状态。也就是说，该灯具有包含这样一个工作区的电流-电压特征，在该区中电流的增加会引起灯上电压降的减小。作为对比，普通的导体仅表现出正电阻，因此电流的增加只能对应于电压降的增加。普遍认为负电阻现象是由气体等离子体中电子和离子密度增加引起的增加的电导率的结果。因而，HID灯的电路实际上从未用恒压源设计。足够引起电弧并启动灯的电位很可能会导致逸出行为，其中灯会启动，然后经历电流的过度增长，这会明显地缩短灯的寿命。而该灯通常都通过镇流器与一个AC电压源相连，该镇流器提供相当大的电感性阻抗。例如，通常用在移动灯塔中的这种金属卤化物HID灯具有大约1kW的额定稳态输出。该灯的推荐启动电位约为450V，但稳态工作的电压约为240V。虽然只有一个简单电感器的镇流器足够满足一些HID灯的需要，更多时候使用电感器和电容器的组合。

镇流器的又一功能是在通过AC电源电压的零电压交叉时维持电弧。接近零交叉时，灯内的电场不足以维持放电。等离子体内的热能化和复合过程导致可用于导电的带电物质的数量随时间衰减。如果当电压接近零时导电率下降太多，灯就熄灭并且必须重新建立电弧。人们知道过度循环会缩短灯的寿命。已经提出了两种方法来阻止熄灭。如果镇流器具有足够的电感，那么电流电压间的相移和灯固有的非线性一起就足以在零交叉处增加电压波形的斜率。因此对于等离子体在阈值之下所处的时间太短以致不能足够衰减使得放电熄灭。在其他情况中，采用更高的供电频率作为在零交叉处增加电压斜率的手段。

然而，这两种方法都有不良后果。具有足够大的电感工作在典型线路频率50-60Hz的镇流器体积很大，并且非常昂贵。镇流器还产生相当大的磁心损耗，尤其是用常规的软磁材料制造时。对于工作在线路频率之上的装置来说，磁心损耗对整个装置效率的不利影响相当地大，需要特殊的办法来确保大量的废热适当地消散。

HID灯系统的一个常见应用是在移动灯塔中，如美国专利5808450(以下为“450专利”)所公开的，此处完整引用作为参考。该‘450专利提供了一种移动灯塔，其包括底座结构，安装在该底座结构上的照明组件，以及AC电源。该灯塔系统通常配置成有轮拖车，其可以被车辆拖至要求的位置。该照明组件包括多个HID灯，通常是四个灯安放在可伸缩的套管式悬臂上。在其闭合位置，该悬臂相对紧凑，使得系统能被方便地拖拉。在工作时，该悬臂垂直展开直立，允许灯能够照亮相对大的区域。据说该‘450系统的合适的电源是驱动同步交流发电机的柴油机。其他辅助设备，包括油箱、柴油机的起动器电池和电控制器，都包括在该系统中。这样的系统具有很多用处，特别包括夜间施工场地的照明。该‘450专利提供的移动灯塔的一个实施例如图1所示。灯塔110具有移动底座结构112，例如具有轮子114和连结装置116的拖车。塔110具有安装在该底座结构112上的照明组件118。该照明组件118具有可伸缩的套管式悬臂。该悬臂120的低端用锁式绞链122枢轴地固定在该底座结构112上。一组四个灯124，优选为金属卤化物灯，安装在该可伸缩套管式悬臂120的与该铰链122相对的远端。AC电源，包括驱动同步交流发电机组件的原动机，被固定在交流发电机组件外壳126的内部在该移动底座结构112上。从电源提供的AC电能通过电源线128给灯124加电。所示移动灯塔110具有三个千斤顶130，以在固定位置支撑该底座结构112。为了在准备该组灯124工作的过程中竖起该移动灯塔110，将该移动灯塔110拖到要求竖起该灯塔110的位置，并支起该千斤顶130。然后，使用手动曲柄132将该悬臂120从收缩的位置拉到直立位置，如图1所示。可以通过调整外部套筒式悬臂部件136内的内部套筒式悬臂部件134来调整该灯124的高度。水平灯支撑部件40固定在该内部套筒式悬臂部件134的顶端。该灯124可调节地附加到水平支撑部件上。

然而，现有移动灯塔，包括该450专利提供的灯塔，存在缺陷。大多数普通交流发电机设计为具有较低的电源阻抗，并且工作在较低的频率，如60Hz。为了用低频低阻抗的交流发电机给HID灯供电，就必须使用插入的镇流器以适应HID灯的高度非线性电气特征，如上所述。典型地，该镇流器必须提供至少三个功能：(i)在灯启动时，增加电压到足以起弧要求的电弧的电平；(ii)在灯稳定状态工作时，限制电流防止逸出；和(iii)增加通过电流波形零交叉点的AC电压波形的斜率，以防止灯自熄灭。这样的镇流器大大增加了系统的重量，体积和花费。

HID照明系统与常规的多相交流发电机相连以便由发电机的相位之一向每个HID灯供电，这引起另一个问题。这样一个多灯系统经常在初始启动时由于交流发电机相位间的有害磁相互作用而经历相当大的困难。经常地，最初一个或多个灯圆满启动，但是寄生磁通路线使得后点火的位相在可估计时间内缺乏足够的电压在相应的灯内起弧初始电弧。这种相互作用明显地损害了这些系统的灵活性，不经过较长的等待时间或不提供会大大复杂化照明系统的补偿电路，系统就不能完全且可靠地启动。

该‘450专利通过提供包括为每个HID灯供电的分开的交流发电机的电源来避免前述的相互作用问题。此外，该‘450专利提供的替代系统的每个交流发电机据说具有允许其在没有任何外部镇流器的情况下驱动HID灯的内在阻抗特征。使用排列在同一个轴上的分开的交流发电机单元能避免相互作用问题，但代价是照明系统更大，更昂贵，制造和操作也更复杂。该‘450交流发电机系统据说工作在相对较高的频率，如200-600Hz，以最小化自熄灭的风险。然而，已知在其定子中采用常规软磁材料并且工作在高于线路频率之上的换向频率的直流发电机(dynamoelectric machine)会经历严重的磁心损耗。结果，它们必须不断地配备重要的冷却装置或设计成工作在更低的有效磁通密度。这些特征或降低效率或增加整体设备的体积和重量。

旋转电机，包括现在的交流发电机，通常包括固定部件，称为定子，和旋转部件，称为转子。该转子和定子的相邻面被一个小空气隙所隔开，磁通量横过该空气隙连接转子和定子。本领域的技术人员将理解旋转电机可能包括多个机械连接的转子和多个定子。实际上，所有的旋转电机按照惯例可划分为径向或轴向空气隙类型。在径向空气隙类型中，转子和定子按径向分开，并且横穿的磁通量主要是按垂直于转子旋转轴的方向定向。在轴向空气隙装置中，转子和定子按轴向分开，并且磁通量行径主要是平行于旋转轴。

除了某些专用类型，电动机和发电机通常采用一种或多种类型软磁材料。“软磁材料”是指能被简单有效地磁化和去磁的材料。每次磁化循环中磁材料中不可避免地消耗的能量称为磁滞损耗或铁心损耗。磁滞损耗的幅度是激励幅度和频率的函数。软磁材料进一步呈现出高磁导率和低磁矫顽性。电动机和发电机也包括磁通势源，其可以由一个和多个永磁铁或被载流绕组包围的额外软磁材料提供。“永磁材料”，又称“硬磁材料”，指的是具有高磁矫顽性，并且坚定地保持其磁化强度拒绝去磁的磁性材料。根据电机的种类，永磁材料和软磁材料可以放置于转子或定子上。

目前为止，当前生产的大多数直流发电机采用各种等级的铁心硅钢(electrical steel)或电动机钢板作为软磁材料，这些钢是铁与一种或多种合金元素的合金，尤其包括硅，磷，碳和铝。最常见的是，硅是主要的合金元素。虽然一般认为电动机和发电机的转子用高级永磁材料制造，定子铁心用高级的低损软材料制造，例如非晶态金属，同常规径向空气隙电动机和发电机相比，它们具有提供更高效率和功率密度的潜能，但是建造这种轴向空气隙式或径向空气隙式的电机还鲜有成功。先前将非晶态材料引入常规径向或轴向空气隙电机的尝试在商业上非常不成功。早期的设计主要包括将定子和/或转子用非晶态金属的线圈或圆型叠层来替代，通常非晶态金属在内外表面上被齿切割。非晶态金属具有独特的磁特性和机械特性，这使得其在常规设计的电机中直接代替普通的钢非常困难或不可能。

制造的高速电机几乎总是低极数(pole count)的，以免工作在更高频率的电机中的磁性材料经受过度的铁心损耗，该损耗导致电机设计低效。这主要是因为用在绝大多数现有电机中的软材料是硅铁合金(Si-Fe)。众所周知，常规硅铁基材料中在频率高于约400Hz的磁场变化引起的损耗会导致该材料不希望地发热，设备经常会热到都不能用任何可接受的方式将其冷却的程度。

相应地，本领域中仍需要高度紧凑，有效并且可靠的照明系统。尤其需要的是使用交流发电机的整装系统，该系统充分利用了与低损材料相关的具体特征，因此消除了与常规电机相关的许多缺点。理想地，经过改进的移动照明系统能在机械能和电能形式之间提供更高效的转换，并且能够在最小燃料供送下工作较长时间。矿物燃料供能的发电机的改进的效率可以随之减少空气污染。

发明内容

一方面，本发明提供了一种高强度照明系统，其包括多个电连接到多相交流发电机的多个高强度放电灯和机械连接到该交流发电机的原动机。该交流发电机包括：(i)至少一个定子总成，其包括：包括多个从背铁部分延伸的齿部分的定子铁心；和多个定子相位绕组，每个相位绕组包括多个连接的线圈，每个线圈围绕着齿部分之一；和(ii)至少一个转子总成，其被支撑以绕轴旋转并且包括多个极，该转子总成安排布置用于与该至少一个定子总成进行磁相互作用。该定子铁心的所述齿部分包括多对沿圆周分布的相邻齿，相同数量的齿对与交流发电机相位的每相联系。围绕每对的相应齿的线圈按反方向缠绕，并且串联连接。该交流发电机最好是轴向空气隙电机。

该照明系统更优选形成为安装在带轮底座上的可移动单元，这就允许它能被拖到要求的较远地点以照亮区域。“较远地点”指的是其中要求在不使用到该单元之外的电源的连接而提供照明的任何区域。例如，这种可移动照明系统能方便用于夜间施工场地的照明。

另一方面，本照明系统的多相交流发电机适于直接与高能放电灯相连，尤其是与高功率金属卤化物灯连接，不需要镇流器或相似的阻抗元件置于该交流发电机和灯之间。用于多个相位的定子相位绕组放置在该交流发电机内的定子铁心上。“定子相位绕组”指的是具有围绕着电机定子结构一部分的并且适于与跟多相电机的其中一个相位相关的电路连接的一匝或多匝导线的绕组，。相位绕组通常包括围绕着定子齿的多个线圈的多匝导线。由于本交流发电机中的相位绕组成对排列，与该交流发电机的不同电相位相关联的磁路基本上不相互作用，甚至在灯启动过程中发生的极限载荷情况下也不相互作用。因此本交流发电机比用在HID照明系统中的先前的交流发电机系统更紧凑，HID照明系统要求多个交流发电机布置在共同的轴上，而且本交流发电机基本上避免了伴随先前交流发电机系统的灯启动困难的问题，先前的发电机系统中用于多个相位的绕组位于共同定子铁心上。

在另一方面，本发明也提供了一种用于设置发电机电感的方法，该发电机包括至少一个定子总成和至少一个转子总成，该转子总成被支撑用于绕轴旋转并且包括多个极，该转子总成排列设置为与该至少一个定子总成进行磁相互作用。该定子总成包括多个延伸自背铁(backiron)部分止于与该背铁部分相对的自由端的齿部分；以及至少一个定子相位绕组，包括多个相连的线圈，每个线圈围绕着齿部分之一并且排列在该齿部分的一部分上到与该自由端分开的点。选择该分开点以便足以为发电机提供预选的电感。作为对比，常规设计的发电机采用定子线圈绕组的外延与每个定子齿的自由端之间的最小间隔，因此发电机的电感也被最小化。虽然许多应用更优选采用最小电感，但是某些应用，比如本发明的高强度放电照明系统，还是受益于一些电感，否则就必须靠一个或多个额外的电路元件，如分立的电感器或镇流器，来提供电感。

本装置的该定子总成优选具有用低损高频材料制造的磁心。更优选地，该定子的磁心是用非晶态金属，纳米晶金属，优化的硅铁合金，晶粒取向的铁基材料或非晶粒取向的铁基材料制造的。将非晶态金属，纳米晶金属、优化的硅铁合金、晶粒取向的铁基材料或非晶粒取向的铁基材料进入电气装置使得该装置的频率增加到400Hz以上，而与常规电机表现出来的大铁心损耗增加相比，其只增加了相对很小的铁心损耗，因此产生了能够提供增加的功率的高效电装置。本发明进一步提供了一种高效的电装置，该电气装置具有高极数，其能够提供增加的功率密度和可能的高频工作。使用比通常的50-60Hz线路频率高的频率在驱动高强度放电灯中尤为有用，因为能引起每个循环的零交叉附近的电压波形斜率的增加。

附图说明

参考本发明的优选实施例的下述具体实施方式和随附的附图将会更全面地了解本发明，更多的优点也会显而易见。附图中相同的参考数字表示几个视图中相似的元件，其中：

图1是描述现有技术的移动灯塔的透视图；

图2是描述本发明的照明系统的示意性框图；

图3A和3B分别是用在本发明的交流发电机的定子结构的顶视图和侧视图，显示了具有已加工的定子槽和背铁的定子铁心；

图4是描述缠绕着定子相位绕组的图3A和3B的定子结构的一部分的顶视图；

图5是图4所示定子结构和绕组的示意性片段截面图沿与定子相关的转子总成的一部分在V-V截取；

图6是定子结构和绕组沿与其关联的转子总成的一部分的示意性片段截面图，绕组配置为现有技术；

图7是在工作中某点图5所示的交流发电机结构中现有的磁通量分布图的示意图；

图8是描述在工作中某点图6所示的交流发电机结构中现有的磁通量分布图的示意图；

图9是在本发明的交流发电机的径向空气隙实施例中有用的定子结构的示意图；

图10A和10B分别是本发明的转子结构的顶视图和侧视图，显示了转子磁铁的位置和极性；

图11示出了本发明的轴向空气隙式交流发电机其间两个定子总成和一个转子总成的排列；以及

图12是在本交流发电机的轴向空气隙实现方式中有用的采用层叠线圈绕组的定子结构的示意性片段截面图。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地解释本发明的优选实施例。

一方面，本发明涉及一种由交流发电机系统供电的高强度放电照明系统的设计和制造，该交流发电机系统具有的阻抗特征允许灯在不需要常规要求的外部镇流器的情况下工作。现在参考图2，示出了本发明的照明系统2，其包括驱动转轴的原动机，例如柴油机4，该转轴具有将引擎4同交流发电机6连接起来的独立部分5a，5b。用于每个交流发电机相位的单独绕组通过导线7同高强度放电灯8相连接。速度匹配装置，如变速箱3，可选地插入引擎4和交流发电机6之间。然而，优选的交流发电机能够有效地工作在比较广的转速范围之内，这样增加尺寸和复杂度并且总是导致系统效率损耗的速度匹配装置就可以省略掉。当然，没有该变速箱，单个转轴连接引擎4和交流发电机6。作为替代，可以使用其他形式的燃料供能发动机、旋转式发动机、内燃机和燃气涡轮引擎。在其他实施例中，原动力由风力或水力驱动涡轮机提供。也可以使用其他形式的驱动连杆装置，例如履带驱动系统。

在系统2的优选移动灯塔实施例中，该上述系统部件安装在具有带轮拖车形式的底盘上，其可被机动车辆拖到要求的地点。灯连接在悬臂上，该悬臂在系统的存储和运输时通常是装载式的，处于收缩并折叠的位置，在使用过程中通常是装配式的，处于基本直立的状态。该悬臂可能包括一个或多个铰接的或套管部分的任意组合。可以包括任何合适的机械系统帮助举起该悬臂，例如缆绳和绞盘系统，气压或液压系统等。优选系统组合了多个额定功率为1000W的金属卤化物HID灯，比如四个这种灯的阵列。该灯与多相交流发电机联合使用，一个灯与一相连接。“多相交流发电机”指的是适于在多个独立可连的相位电路中产生和提供AC电能的电动旋转电机。各相的电流和电压的周期波形在每个周期循环中基本上是平均分布的。理想地，该交流发电机至少是三相装置。更为优选地，该交流发电机是用于给四个独立HID灯供电的四相装置。交流发电机有时也被称作发电机。其他实施例也许采用具有不同相位数的交流发电机和相应数量的可能具有多种额定功率的独立的灯。其他辅助元件的供给，比如燃料供给箱，引擎起动电池和控制面板，允许移动灯塔系统是整装的(self-contained)，并且安装后在最小或没有使用者介入的情况下能够在现场位置用较长时间。该系统的正常工作可选为自动的，例如被自动计时器或环境光传感器激活。

在该系统的另一方面，提供了多相交流发电机，其具有的输出阻抗特征允许它在没有外部镇流器的情况下驱动多个高强度放电灯，而对于由现有的常规交流发电机激励的灯来说需要外部镇流器。该交流发电机使用定子总成，该定子总成具有定子铁心，在该定子铁心上排列着与多于一个相位相关联的定子绕组，但是在该定子铁心内部每相的磁路基本上都不与绕在该定子铁心上的一个或多个其他相位的磁路发生磁交互作用。每个相位绕组被指定优选连接到单个HID灯上。具有单个灯连接到其一个相位上的这样的多相交流发电机的操作有利地允许各个灯能够可靠并独立地工作。作为对比，经常发现在由先前的具有很大的相间磁交互的交流发电机激励的照明系统中，很难或不可能可靠地启动所有的HID灯。更为具体地，当这样的系统冷启动时，每个交流发电机相位和与其连接的灯的电气特征的不可避免的微小改变经常导致灯不太可能同时点亮。当一个或多个灯正在进入稳定工作状态时，流过这些灯的电流对与未点亮的灯相联的磁路产生不利影响，这种不利影响经常达到这样的程度，交流发电机不能给仍未点亮的灯提供足够的电压以允许它们的电弧起弧从而启动灯并使其工作。典型地，这种困难随着灯的顺序点亮而增大，结果最后的灯最不可能顺利点亮。

由于本交流发电机系统的某些实施例所固有呈现的阻抗特征，尤其是起于相位绕组的电感和与其相关联的磁路的阻抗，该交流发电机能够在不需要外部镇流器或其他可比阻抗装置的情况下激励HID灯。在优选实施例中，在启动和稳定状态灯工作期间，该阻抗特征限制到达HID灯的电流。提供给灯保持电压，以维持灯的一对分隔开的电极之间的电流用于产生输出光。每个绕组具有交流电压输出，该电压输出在电流的基本上零交叉处具有足以维持全灯接通操作的保持电压。每个绕组还具有交流保持电压输出，该电压输出包含基本在电流零交叉处的相对较陡的电压变化，借此在AC循环中维持每个相位的全灯接通操作。该阻抗特征还产生起弧电压以启动灯的接通。

图3A和3B描述了适合于本交流发电机的轴向空气隙式实施方式的一种形式的定子铁心。这种定子铁心结构由共同受让的美国临时申请序列号60/444271(“‘271申请”)和美国专利申请序列号10/769094(“‘094申请”)提供，这两个申请此处全文引用以供参考。

该‘094申请提供的定子包括背铁部分和多个定子齿部分，该定子齿最好用低损高频材料制造。图3以顶视图(图3A)和侧视图(图3B)示出了根据该‘094申请的一个方面的定子总成的一部分，显示了包括悬在背铁部分23的定子齿部分25的整体结构。相邻齿部分之间的槽空间24用于容纳缠绕在该齿部分25上的定子线圈22，如图4所示。优选地，该一个或多个定子由低损材料组成，例如非晶态金属，纳米晶金属，或者优化的铁基合金。或者，可以使用晶粒取向或非晶粒取向的铁基材料。该背铁和齿部分可以如所示的形成为整体结构，其中该齿部分25整体悬挂于背铁部分23，或者可以形成为用任何合适的方式固定在一起的分开的部分。例如，可以使用粘合，夹紧，焊接或本领域中已知的其他方法将组成部分接合在一起。多种粘合剂都可用，包括那些包含环氧树脂类，清漆，厌氧胶，氰基丙烯酸盐粘合剂和室温硫化(RTV)硅树脂材料。粘合剂最好具有低粘度，低收缩率，低弹性模数，高剥离强度，高工作温度能力以及高绝缘强度。图3A-3B所示的该定子构造在本发明的实践中是有用的，正如上述‘271申请和‘094申请提供的其他形式的定子构造，以及包含低损材料并与此处所述的绕组配置可比的其他定子构造。

本发电机进一步包括转子总成，其被支撑用于绕轴旋转并被安排配置以与该定子总成进行磁交互作用。本发电机可包括一个或多个转子总成以及一个或多个定子总成。相应地，这里参考发电机所用的术语“转子”和“定子”是指数量为一个到三个或更多个的转子总成和定子总成。在优选实施例中，本发电机是轴向空气隙式的无刷装置，其使用包含多个圆周上间隔的永磁铁的盘状转子总成。

在另一方面，提供了定子绕组配置，通过该配置最小化共享同一个定子铁心的相位间的磁相互作用。现在参考图5，大致示出了轴向空气隙式实施例40的截面图，该实施例具有单个转子总成60和具有新型绕组配置的单个定子总成41。将要理解的是图5是示意性的，表示图4配置的弧形片段V-V，看上去像图4被拉伸成平面形式。图5的定子总成41包括齿部分，例如齿42a-b，44a-b，46a-b和48a-b，其悬在背铁部分50上，并且线圈绕组52a，52b围绕着每个齿。该定子铁心优选用低铁心损耗材料制造，例如非晶态金属，纳米晶金属，优化的硅铁合金，晶粒取向的铁基材料或非晶粒取向的铁基材料。转子总成60包括转子衬背64和多个圆周上等间隔分开的具有交替极性的永磁铁，例如磁铁62a和62b。衬背64最好使用磁渗透的铁磁材料制造，以允许从与定子相对的磁铁62侧发出的磁通量是闭合的。更为优选地，衬背64包括低损软磁材料的缠绕环状线圈，例如带状非晶态金属。在衬背64中使用层状的低损材料会减少有害的涡流损耗，当磁铁62旋转着与该定子齿对齐不对齐时，整个转子-定子磁路的改变的磁导性就引起磁通量的改变，而磁通量的改变又引起涡流损耗。

定子总成41为四个电相位提供绕组。顺序相邻的齿对，即齿42a-b，44a-b，46a-b和48a-b，分别分配给相位A，B，C和D。该次序绕着该定子铁心圆周地重复，每个相位具有相等数量的齿对。包含至少一匝导线的线圈绕组围绕着每个齿。为了说明简单，图5示出的每个线圈包含八匝导线，具有圆横截面并且按单层排列，但通常在更多的层中具有更多的匝数。通常情况下，该定子相位绕组优选采用便宜的，高导电的电线如铜线或铝线，但其他材料也可以被使用，包括其他金属、合金和超导体。该电线可以具有任意的横截面，但最常用的是圆线和方线以及薄带。在一些高频应用中，绞合线或利兹线可能更具优势。绝缘体56，优选地包括片状的诸如牛皮纸或聚合物膜的电介质材料，通常但不是必须地隔开围绕相邻齿的线圈绕匝。在大多数实施例中槽的侧壁和底壁也用相似的方式绝缘。

图5所示的实施例中围绕每对的齿的线圈反向串联(in seriesopposition)。特别地，每匝中正电流的方向用符号

表示，表示在不同绕组的横截面中电流是流向图平面外的，比如匝52a所示，

表示电流流入图的平面，如匝52b所示。例如，流过对齿42a和42b的线圈的正电流产生了磁通势，该磁通势在齿42a和42b中的指向分别是向上和向下。分配给每个相位A-D的对齿的线圈自己又进一步串联连接以提供相位各自的终端输出。按照工业惯例，发电机通常是按Y字形与共同中线连接，但是也可以采用其他配置。

本交流发电机中将成对的相邻齿分配给单个相位并且所述齿的绕组的反向串联连接，这是非常规的。作为对比，图6示出了四相配置中齿和绕组的常规排列。分配给给定相位的齿，例如齿42a和42b分配给相位A，并不相邻，而是由中间齿隔开，其中每一个其他相位都有一个。此外，齿全按反方向缠绕。

本发明非常规分配和绕组在相位间提供了相当大的磁隔离。例如，图7和8分别示出了图5和6配置中的相位A中的峰值电流处的通量分布图是如何地不同。为说明清楚，图5和6中所示的大多数绕组在图7和8中省略了。每相的磁路包括：(i)转子和定子的磁性材料以及相关的空气隙，可归属于该相位的磁通量流过该空气隙；和(ii)相关的磁通势源，具体地，转子磁铁和产生反电动势的相位绕组中的电流。在图7和8中，虚线表示在转子60中从磁铁的磁通势产生的磁通量，而实线表示与交流发电机负载中以相位A流动电流相关的磁通势产生的磁通量。在照明系统中，例如，该电流供相位A的HID灯抽取。在本交流发电机中(图7)，相位A的齿42a，42b中相当大的磁通量，来自转子磁铁和反电动势电流的相反指向的磁通势的最终结果，在背铁50中经过短的路径就闭合，如双箭头72所示。对于所有四个相位，在它们各自的峰值电流处都有连接其他相邻齿的可比短路径可用。另一方面，现有交流发电机(图8)中齿42a和42b的峰值相位A磁通量要经过更复杂的路径才能闭合。该磁通量必须同来自其他相位的反电动势电流和来自转子磁铁的磁通量一起穿越中间齿(例如，44a，46a，48a)后面的背铁。在任一相位的高强度电流处，部分背铁会饱和，从而减小可通过其他相位的齿链接的磁通量的幅度。其他相位中可用的磁通量的减小反过来又减小那些相位的终端电压输出。在某些情况下，该电压下降到HID启动所需要的电压之下。人们认为这样的减小解释了在使用这种现有发电机驱动HID灯的过程中经常碰到的困难，包括至少最后的灯不能可靠启动的倾向。

在图5所示的定子绕组配置中分配给四个相位中每个相位的成对的相邻齿实际上按45度电角度分开。结果，该发电机的稳态输出与在平衡状态工作时图6所示配置应提供的输出相比，适当地按因子cos(45°/2)＝cos(22.5°)＝0.924减小。非四相交流发电机中输出的减小是不同的。例如，用三个相位(即用三对齿而不是四对齿的重复序列)缠绕图5所示的通用定子结构产生的输出减小因子稍大，为cos(60°/2)＝cos(30°)＝0.866，因为齿实际上是按60度电角度分开的。即使该减少对于本交流发电机来说也是可以接受的折衷，因为该配置使得系统的灯不能够可靠独立地启动和工作的趋势明显减小。改善启动问题的其他方法已包括增加交流发电机的尺寸到足够的水平使得即使在启动中高负荷情况下也能实现可靠工作。‘450专利权人采用的方法，即为每个灯提供独立的交流发电机单元，避免了这个问题。但是这两种方法的代价是不管在其采用相对昂贵的磁性材料上还是工作能量效率上，设备更大，更昂贵，并且更低效。低效在移动灯塔中尤为不利，因为必须携带额外的燃料才能使系统能够运行给定的时间周期。

在又一方面，本交流发电机呈现出的阻抗特征允许直接HID灯连接而不需要额外的外部镇流器，而从常规的低阻抗源运行该灯时通常需要这种镇流器。在实施方式中，本交流发电机的电感是通过将齿延伸距离“G”而增加的，如图5所示。也就是说，线圈排列在每个齿的一部分上，一直排列到距与背铁50相反的自由端51的分开的点，在该自由端齿中止。距离G是在分开点与齿的自由端之间测量的距离，选择该距离以为交流发电机提供预先选定的电感。通常的发电机设计中，要求最低可得电感和磁性材料的最小所需量。相应地，迄今为止，使得G在制造工艺限制范围内尽可能地接近零。更重要的是，一般都选择低电感设计，因为它们最大化发电机应用中的可用发电机输出而最小化电动应用中的所需驱动电压。然而，具有一些有限电感对于某些专门应用是有益的。除了本照明系统，与采用脉宽调制控制的功率电子设备一起工作的电机典型地需要一定量的电感以限制不希望的电流尖脉冲。虽然所需的电感可以由功率电子设备电路中的一个或多个分立电感器提供，但是电机内在电感的存在会简化大功率电子设备的电路。因此本发明的一方面是提供一种设置电机电感的方法，其中该电机可以是任何马达或发电机，该方法包括选择分开点，以便有足够的分开以给电机提供预先选定的电感。

虽然移动灯塔应用是本系统的一个优选应用，本概念发现了其他与HID照明相结合的有益应用，包括更多永久固定装置。例如，HID照明常用于工业和商业设施中，如停车场，仓库，工厂，室内和室外运动场和相似的比赛地点等。经常地，该固定装置位于相对较难接近的位置。结果，消除先前系统中的镇流器的能力就显得非常有益，因为可以减少安装和维护费用以及困难。同样消除的还有工作过程中镇流器产生的经常令人不快的线路频率嗡嗡声。

作为图5所示的线圈并排线圈配置的替代，本交流发电机可以用层叠绕组构造，如图9所示，如在共同受让的2004年11月2日提交的美国专利申请序列号10/979336所公开的，此处全文引用其内容，以供参考。“层叠绕组”指的是这样的绕组配置，其中多个线圈按分层序列的方式从齿根排列延伸到接近齿自由端或面的位置，而每个线圈都围绕着定子齿。优选地，每个槽中有两个线圈。该层叠线圈配置可以与其中的定子包括分开的齿和背铁部分的实施例结合使用，在这种情况下，可以在部件组装之前或之后将线圈缠绕到齿上。该线圈也可以被形成为分开的部件然后滑入齿部分的自由端上面的位置。在某些实施例中，该层叠线圈配置能有利地允许定子槽的更有效填充。

在本发明的另一方面，提供了一种构造和缠绕定子总成的方法，例如图3-4所示的以及此处描述的其他定子总成。最初通过成螺旋形地将低损高频的片磁性带状材料绕成螺环形成金属芯。该螺环的形状基本为正圆柱壳，当沿轴向观察时其具有内径和外径。该环形端表面区域21沿径向从内径“d”延伸到外径“D”，并且关于所形成的整个螺环呈圆周分布，该区域定义为表面面积。该金属心具有轴向延伸，定义为螺环高“H”。绕完之后，对该心进行机械加工以提供通常呈径向指向的槽24，该槽具有外宽“w”。槽24的深度沿轴向仅延伸到螺环高度的一小部分，因此定义齿和具有槽高“T”的槽。该槽减小了金属心的总的端表面积。除去槽之后留下的部分环形区域是总面积(TA)，对于该低损高频材料是非晶态金属的实施例，也称其为非晶态金属面积(AMA)。因为该槽24完全从该内径d延伸到该外径D，螺环有槽部分中的内径和外径处的定子心的圆周是不连续的。从槽空间除去材料产生了多个齿25。齿的数量和槽的数量相等。保留在槽深度以下的圆周上连续的材料可以作为背铁部分23，其为齿部分25中的磁通量提供闭合回路。在优选实施例中，为了可形成性和机械完整性，齿的最窄部分至少为0.1英寸(2.5mm)。根据为给定电气装置设计预先选定的绕组方案，该槽24用导电的定子线圈22缠绕。

该定子总成20连同定子绕组可以放置在定子载体上(未示出)。该定子总成优选装在使用合适的有机电介质，诸如不会在定子磁性材料内引起过度应力的电介质的定子载体内。虽然该定子载体优选是非磁性的，但对该定子载体材料的导电率并没有限制。影响定子载体材料选择的因素包括要求的机械强度和热性质。任何能够适当地支撑该定子总成的合适材料都可以被用作定子载体。在一个具体实施例中，该定子载体由铝组成。

低损定子材料

在本电机的优选实施例中组合非晶态、纳米晶或优化的铁基合金，或晶粒取向的或非晶粒取向的铁基材料使得该电机的换向频率能够大大增加到典型的线路频率之上，直至高达400Hz或更高的频率，而其铁心损耗与常规电机中见到的不可接受的大幅增加相比仅有相对小的增加。该定子铁心中低损材料的使用相应地允许发展高频高极数的电气装置，该电气装置能够提供增加的功率密度和改善的效率同时不会带来过度的热衰减效应。优选地，该定子总成包括层叠层，其中该层叠层由至少一种选自非晶态，纳米晶或优化的铁基合金的材料组成。

非晶态金属

非晶态金属有多种不同的适合本交流发电机使用的成分组成。金属玻璃通常是从所需成分组成的合金熔化物形成的，该玻璃从熔化物快速淬火，例如以至少约106℃/s的速度冷却。它们不表现出远程原子有序，并且具有仅呈现扩散晕的X射线衍射图，类似于对无机氧化物玻璃观察到的那些晕。Chen等的美国专利中，专利号为No.RE32925，公布了许多具有合适的磁性质的成分组成。提供的非晶态金属具有的典型形式为长度延伸的薄带(例如，厚度最多约50μm)，宽度为20cm或更多。在Narasimhan的美国专利，专利号为No.4142571中公布了一种对不定长金属玻璃带的形成有用的工艺。适合本发明中使用的一种示例的非晶态金属材料是Metglas，Inc，Conway，SC出售的METGLAS

2605 SA1，该材料为不定长带状物，宽约20cm，厚约20-25μm(参考http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htm)。也可以使用其他的具有所要求特性的非晶态材料。

非晶态金属具有许多在磁设备的制造和使用中必须考虑的特征。不像大多数软磁材料，非晶态金属(又称金属玻璃)很硬并且易碎，尤其是经过通常是用于优化其软磁特性的热处理之后。结果，通常用来处理用于电机的常规软磁材料的许多机械操作就很难或不可能在非晶态金属上实施。冲压，冲孔或切割所得材料通常会导致不可接受的刀具磨损并且实际上不可能在易碎经过热处理的材料上实施。常用于常规钢材上的常规的钻孔和焊接一般也被排除了。

此外，非晶态金属比常规的硅铁合金呈现出更低的饱和磁通量密度(或电感)。在按照常规方法设计的电机中更低的磁通量密度通常导致更低的功率密度。非晶态金属与硅铁合金相比具有更低的热传导率。因为热传导率决定了热量能够以多快的速度通过材料从热位置传到冷位置，更低的热传导率值迫使对电机作小心的设计以确保充分消除从磁性材料的铁心损耗、绕组中的电阻损耗、摩擦、风阻以及其他损耗源产生的废热。废热的不充分消除反过来会引起电机温度的不可接受的上升。过高的温度可能会引起电绝缘或其他电机元件的过早破坏。在一些情况中，过高的温度会引起电击危险或触发灾难性火灾或其他对健康和安全的严重危险。非晶态金属与某些常规材料相比也呈现出更高的磁致伸缩系数。具有更低的磁致伸缩系数的材料在磁场影响下的尺寸改变就更小，这反过来可能会减小来自电机的声频噪声，并且使得该材料更容易受其磁性退化的影响，其中磁性退化是在电机制造或工作过程中引入的应力而导致的。

尽管面临这些挑战，本发明的一个方面是提供一种交流发电机，该交流发电机能够成功组合先进软磁材料并且允许工作在高频激励下，例如，高于约400Hz的换向频率。也提供了制造该交流发电机的制造技术。由于先进材料尤其是非晶态金属的配置和使用，本发明成功地提供了一种具有高极数的工作在高频率(定义为高于约400Hz的换向频率)的交流发电机。非晶态金属在高频呈现出更低的磁滞损耗，从而导致更低的铁心损耗。与硅铁合金相比，非晶态金属具有低得很多的电传导率并且典型地比通常使用的硅铁合金要薄很多，硅铁合金的厚度经常为200μm或更多。这两个特征都促进更低的涡流铁心损耗。本发明成功地提供了一种电机，该电机受益于一个或多个这些良好的特性，因此能够有效地工作在高频，其采用的配置允许利用非晶态金属的有益性质，例如更低的铁心损耗，同时避免了先前尝试中使用先进材料而面临的挑战。

纳米晶金属

纳米晶材料是多晶材料，其平均晶粒大小约为100纳米或更小。与常规的粗晶粒金属相比，纳米晶金属的属性一般包括增加的强度和硬度，增强的扩散性，提高的延展性和韧性，减小的密度，减小的模数，更高的电阻，增加的比热，更高的热膨胀系数，更低的热导率，以及优越的软磁特性。纳米晶金属还比大多数铁基非晶态金属具有略高的饱和感应。

纳米晶金属可以通过多种技术来组成。一种优选的方法包括最初利用诸如上述所教的技术将所需的成分组成铸造成不定长的金属玻璃带并将该金属带制成想要的配置，例如缠绕起来的形状。此后，最初的非晶态材料经过热处理形成纳米晶微结构。该微结构的特征在于存在高密度的晶粒，其中该晶粒平均大小小于约100纳米，理想地小于约50纳米，或者更为理想地，约10-20纳米。该晶粒最好占据至少该铁基合金50％的体积。这些优选的材料具有低铁心损耗和低的磁致伸缩。该后一个性质也使得该材料更加不易受由包括该部件的器件的制造和/或运转引起应力导致的磁性退化的影响。与在其中保持基本完整的玻璃质的微结构所需要的热处理相比，在给定的合金中生产该纳米晶结构所需的热处理必须在更高的温度执行或实施更长时间。优选地，该纳米晶金属是铁基材料。然而，该纳米晶金属也可以基于或包括其他铁磁材料，例如钴或镍。已知了适合用于为本装置制造磁性元件的有代表性的纳米晶合金，例如在Yoshizawa的美国专利号为No.4881989以及Suzuki等的美国专利号为No.5935347中提出的合金。这些材料可以从Hitachi Metals，Vacuumschmelze GmbH以及Alps Electric公司得到。一种示例的具有低损特性的纳米晶金属是Hitachi Finemet FT-3M。另一种示例的具有低损特性的纳米晶金属是Vacuumschmelze Vitroperm 500Z。

优化的铁基合金

本电机也可以用优化的低损铁基结晶合金材料制造。优选地，这种材料具有条带状形式，厚度小于约125微米，比电机中通常使用的钢板要薄的多，钢板的厚度为200微米或更多，有时候高达400微米或更多。晶粒取向和非晶粒取向的材料都可以使用。如在此时用的，取向的材料是指其中组成的晶粒的主结晶轴不随机取向的，而主要是沿着一个或多个优选方向相关的晶粒。由于前述的微结构，取向的带状材料沿不同的方向对磁激励的响应不同，而非取向材料的响应是各向同性的，即在条带平面内沿任意方向的对激励的响应基本是相同的。晶粒取向材料在本电机中的排列最好是其易磁化方向与磁通量的主方向基本一致。

如在此使用的，常规硅铁指的是具有硅的重量含量约占3.5％或更少的硅铁合金。由于具有更高硅含量的硅铁合金的拙劣的金属加工材料性质，工业界设置了这个3.5％的硅重量含量的限制。由工作在高于约400Hz的频率的磁场中所产生的常规硅铁合金类的铁心损耗比低损材料的损耗要高得多。例如，在工作于此处所教的频率和磁通量水平下的电机中所遇到的频率和磁通量水平下，常规硅铁的损耗在某些情况下可能是合适的非晶态金属十倍之多。结果，在许多实施例中，在高频工作的常规材料会加热到不能用任何可接收的方式冷却常规电机的程度。然而，一些硅铁合金类，此处指的是优化的硅铁，可以直接用于生产高频电机。

在本发明的实践中有用的优化的铁基合金包括所含硅重量大于3.5％，优选大于4％的硅铁合金类。根据本发明的用于制造电机的非晶粒取向的铁基材料优选基本包括硅重量含量范围为约4％到7.5％的硅铁合金。这些优选的合金比常规的硅铁合金包含更多的硅。同样有用的是铁硅铝合金。

更优选的非取向优化合金的组成基本包括铁，并且所含硅的重量含量约为6.5±1％。最优选的是，含硅约6.5％的合金呈现出近零值的饱和磁致伸缩，这使其更不易受由包含该材料的装置的制造或工作过程中所遇到的压力引起的有害磁性退化的影响。

优化的目的是获得具有改进磁性的合金，包括减小的磁致伸缩，和特别是，更低的铁心损耗。可以在某些使用合适的制造方法制造的具有增加的硅含量的合金中获得这些有益质量。在一些情况中，这些优化的硅铁合金品种的特征在于其铁心损耗和磁饱和与非晶态金属相似。然而，含硅量高于约4at.％的合金由于其短程有序化引起的易脆性很难通过常规方法生产。特别地，用于制造常规硅铁的常规辊压技术一般不能用于制造优化的硅铁。然而，可以使用其他已知技术来制造优化的硅铁。

例如，JFE Steel Corporation，Tokyo，Japan提供了一种合适形式的Fe-6.5Si合金作为磁条50和100微米厚(参考http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/index.html)。也可以使用通过快速固化过程生产的Fe-6.5％Si，如Das等的美国专利号为No.4865657和Tsuya等的美国专利号为No.4265682中所公开的。快速固化过程也被用于制备Sendust和相关的铁硅铝合金。

优选软磁材料的损耗行为

对优选用于本定子的材料的改进损耗主要是由大大减小的磁滞损耗贡献的。如本领域中所知的，磁滞损耗是由所有软磁材料的磁化中受阻的畴壁运动产生的。这种损耗在常规使用的磁性材料中，如常规晶粒取向的硅铁合金和非取向电动机钢板和铁心硅钢，通常要高于优选用于本电机的改进材料中的损耗。高损耗反过来又促使铁心的过度加热。

更为具体地，人们发现软磁材料的铁心损耗一般可以用下面的修正的斯坦梅茨方程来表示：

L＝a·f·B^b+c·f^d·B^e    (1)

其中：

L是损耗，单位为W/kg，

f是频率，单位为kHz，

B是磁通量密度，单位为峰值Tesla，以及

a，b，c，d，和e是对应于任一特定软磁材料的经验损耗系数。

每个上述损耗系数a，b，c，d，和e一般可以从给定软磁材料的制造商获得。尤其适宜本定子结构中使用的是以铁心损耗小于“L”为特征的低铁心损耗磁性材料，其中L由方程(1)的形式给定，其中

L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3

转子结构

在本发明的又一方面，提供了一种轴向空气隙式，无刷，永磁铁交流发电机，其中转子结构与定子体相邻放置，并与其共轴。图10A示出了适于本发电机的轴向实施例的转子30的顶视图。图10B示出了沿图10A中线A取的该转子的侧视图。转子30及其磁铁32在轴34或其他任何合适装置的支撑下绕电机轴旋转，使得沿着与该一个或多个定子总成相邻的预先确定的路径可以到达磁铁各极。通常，该轴由已知用于旋转电机的任意合适类型的轴承支撑着。该转子上的磁铁区域具有外径和内径。在一个优选实施例中，对于轴向空气隙类型的转子，该磁铁具有交变极性并且基本等间隔地关于转子沿圆周固定放置。该转子磁铁的不同参数，如大小，位置，角度，偏度，形状等，都经过选择以达到想要的性能。优选地，该磁铁32的外径和内径基本上与该定子总成20的相同。如果该磁铁32的外径比该定子齿部分21的外径大，则该转子的外部不会对性能贡献很多。如果该转子的外径比该定子齿部分21的外径小，那么结果是电气装置的性能有所降低。在每一种情况中，发电机中的一些硬磁或软磁材料增加成本和重量，却不提高性能。在一些情况中，多余的材料甚至降低发电机的性能。

或者，该永磁铁转子总成可以采取任意能将磁铁固定在定子齿面附近以旋转的形式。例如，该转子磁铁32可以放入转子载体，或固定在其上。该转子总成可以包括任意数量的转子磁铁32，在一些实施例中，该转子磁铁贯穿整个转子厚度，而在其他实施例中并非如此。

该磁铁可以间隔开，以便在交变磁铁之间有很少或没有圆周裕度。优选选择磁铁间的间隔使其具有最优值，同时也最小化了转矩变动的发生。最优间隔是这样导出的：首先将该定子的低损金属面积除以定子槽的数目以得到每个单个金属铁心齿的面积。然后磁铁间的最优间隔就是使得每个磁铁的总面积等于铁心齿面积的175±20％的值。

图9的转子总成可以与单个定子总成或两个基本相同的定子总成一起使用，其中该两个定子总成最接近该转子总成的近似相对的面安装，如图11所示。图11所画的是包括两个定子的交流发电机的一个实施例的侧视图，其中该两个定子按轴向类型布置在单个转子的每一侧，并且沿着与该转子相同的中心轴放置，该转子供应两个定子20。通常，用在图11实施例的配置中的转子的构造没有图5所示的背铁64，因为来自转子磁铁的磁通量在各个定子20的双侧闭合。在一个特定的实施例中，发现在单个转子的每一侧上均包含非晶态金属定子的电气装置呈现出高功率密度。这样的配置有益地减少了转子上的轴向推力，因为转子与相应定子间的引力是反向的，并且基本抵消。

在一些实施例中，该对向定子基本相同，每个都具有所有相位的绕组。在其他实施例中，该对向定子相似，但具有针对不同相位的绕组。在这些实施例中，优选的是相位均匀地分布在定子之间。例如，具有两个定子，每个定子具有三个相位的配置可以用在六灯移动灯塔系统中，每个灯由不同的相位绕组激励。其他实施例还使用不同的对向定子，其中该定子不需要具有相同数量的相位和齿。例如，具有四个相位的一个定子可以用来给四个HID灯的组件供电，而另一个定子包含的绕组适用于产生提供给其他必需的非照明电器的电能，例如给施工场地的电机供电。

在又一个实施例中，本照明系统可以使用机动车辆，例如施工车辆，的推进发动机作为原动机来实施。例如，可以使用引自车辆引擎曲轴的皮带传动来驱动交流发电机。

转子材料

任何类型的永久磁铁可以被用在本转子中。尤为合适的是稀土-过渡金属合金磁铁，诸如钐-钴磁铁，其他的钴-稀土磁铁，或者稀土-过渡金属-非金属(metalloid)磁铁，例如NdFeB磁铁。或者，该转子磁铁结构包括任意其他烧结的，塑料粘结的，或者陶质永久磁铁材料。优选地，该磁铁具有高的最大BH能量乘积，高矫顽磁性，以及高饱和磁化强度，并具有线性二象限正态消磁曲线。更为优选地，使用取向的和烧结的稀土-过渡金属合金磁铁，因为它们更高的能量乘积增加磁通量以及转矩，同时允许最小化昂贵的永磁材料的体积。优选地，该转子装置包括盘式或轴式转子总成，其中该转子总成包括圆周隔离开的，具有高能量乘积的永久磁铁，例如稀土-过渡金属(例如，SmCo)或稀土-过渡金属-非金属磁铁(例如，NdFeB和NdFeCoB)，每个磁铁都有定义北极和南极的相反端。

虽然该转子磁铁被描述成永磁铁，但是本发电机的替代实施例采用其他类型的磁性材料或电磁铁。例如，感应式电机可能采用层叠的软磁材料，而开关型磁阻电动机可能具有固体铁转子。

其他配置也适用于本交流发电机。例如，图12示出了具有16个槽的定子，定子齿从背铁径向向内延伸。这样的定子通常是通过将多个合适磁性材料的叠层层压而成。该定子可以用前述的相邻齿绕组布置进行缠绕，并与合适配置的12磁铁转子一起使用，以产生四相径向空气隙式交流发电机。本交流发电机的径向磁通量实施例也可以用其他数目的槽和相位来构造。优选地，相位数至少为三。

每极每相槽比率

电机的每极每相槽(slot per phase per pole，SPP)值是通过将定子槽的数目除以定子绕组中相位的数目以及DC极的数目而确定的(SPP＝槽数/相数/极数)。在本描述中，极指的是不随时间变化的磁场，此处也称为DC场，其与变化的磁场发生相互作用，变化的磁场也即幅度和方向随时间和位置变化的磁场。在优选实施例中，安装在转子上的永磁铁提供DC场，因此提供不随时间变化的磁极的数目，此处称为DC极。在其他实施例中，DC电磁铁可以提供转子DC场。定子绕组的电磁铁提供变化的磁场。槽指的是本发电机的定子交替齿之间的间隔。

常规发电机经常设计成具有SPP比率为1到3，以获得可接受的功能性和噪声水平，并且由于更好的绕组分配提供更平滑的输出。SPP比率为1或更多就固有地要求分布式的绕匝。然而，已经寻求具有分数SPP值，例如0.5，的设计，以减小端匝的影响。端匝是定子线圈中连接槽间绕组的电线部分。虽然，无疑需要这种连接，但是端匝并不对发电机的转矩和功率输出作任何贡献。在这个意义上它们是不合需要的，因为它们增加了所需电线的数量，并且给发电机贡献电阻损耗，同时不提供任何好处。因此，发电机设计者的一个目标是最小化端匝，并且提供具有可管理的噪声和转矩变动的发电机。另一方面，本交流发电机用低于1的SPP比率来实施。通过工作在高极数和槽数，可以将噪声和转矩变动控制到可接受的水平。这些选项在先前的发电机中通常不可行，因为所要求的换向频率的增加在不使用先进的低损定子材料的情况下是不可接受的。

在本发电机的不同实施例中，该SPP比率是总体比率(integralratio)，例如0.25，0.33或0.5。例如，对应于图5的四相配置可能具有48个槽和36极，结果SPP＝0.33。三相实施例对于SPP＝0.25可能具有48个槽和64极。通常，SPP≤0.5的现有技术发电机工作在低频，例如线路频率，并具有低极数，结果引起高的，难以控制的转矩变动。另一方面，本发电机中先进磁性材料的使用允许提高换向频率，以便可以保持低的SPP值，同时仍然最小化转矩变动并且不减小发电机的速度。

在一些实施例中，具有分数SPP比率和非分布式绕组的发电机有利地采用模块化线圈。如此处使用的，术语“分布式绕组”指的是绕组围绕多个齿而非单个齿的定子线圈，如前所述。可选地用于本发电机的该模块化线圈可以事先形成，然后滑到未经变尖的齿部分上。本发电机还可以采用以层叠配置排列的线圈，如在前述的美国专利申请序列号10/979336中公开的。然而，任何本领域中已知的绕组排列都可以使用。绕组可以就位围绕齿形成，或者可以作为组件单独制备然后滑到齿端上方。

使用低损材料的高极数高频设计

本结构和方法对于极数范围从低到高的交流发电机都适用。然而，本相邻齿绕组配置的好处在HID灯系统中尤为有益，在该系统中定子中低损材料的引入允许工作在典型线路频率之上频率的高极数交流发电机的使用。反过来，在增加的频率上的工作缩短了在零电压交叉附近花费的时间，因此降低了灯熄灭的可能性。在具体的实施例中，本发明提供了一种具有高极数的轴向空气隙式电气装置，其工作的换向频率至少为200Hz，并且更为优选地，换向频率的范围从约500Hz到3kHz或更高。设计者通常对高速发电机避免高极数，因为常规定子铁心材料，如硅铁，不能工作在成比例地更高的高极数所要求的频率。特别地，使用硅铁的已知装置由于在材料内部由变化的磁通量引起的铁心损耗而不能在磁频率远远高于400Hz的情况下被切换。在该极限之上，铁心损耗会使得材料发热到不能用任何可接收方式冷却该装置的程度。在某些情况下，硅铁材料的发热甚至会如此严重以至于发电机无论如何不能被冷却从而自毁。然而，已经确定合适非晶态，纳米晶和优化的铁基金属的低损特性允许比常规硅铁材料可能的高得多的转换速率。当在一个优选实施例中，非晶态金属合金的选择，如METGLAS

2605S铝合金，消除了由于在高频工作时发热的系统限制，绕组配置和整体发电机配置同样也改进了，以更好地利用该非晶态材料的有益特性。

利用更高激励频率的能力允许本发电机被设计为具有更广范围的可能极数。本装置中的极数是基于可容许的发电机大小(物理限制)和期望的性能范围的变量。受限于可容许的激励频率限制，可以增加极数直到磁通量泄漏增加到不希望的值或性能开始降低。

定子构造在转子极数上也有一个机械限制，因为定子槽必须与转子磁铁一致。机械和电磁约束共同限制了定子中槽的数目。这些影响反过来在某种程度上是发电机框架大小的函数。可以设置一些界限来确定给定的定子结构的槽数的上限，其提供了铜和软磁材料的一种合理的平衡。平衡的调节可以被用来作为制造性能良好的轴向空气隙式发电机的一个参数。本发明提供了最优具有约4或5倍于现有可比物理尺寸的工业发电机的典型极数的发电机。

在优选实施例中，本交流发电机适于工作在比旋转电机工业中典型使用交替显更高的换向频率。该换向频率(CF，单位Hz)是旋转速率乘以极对的数目，其中极对是极数除以二的数，并且旋转速率的单位是转每秒(CF＝rpm/60×pole/2)。在本灯塔的优选实施例中使用的交流发电机工作在至少约200Hz的换向频率下。更为优选地，该频率至少约300Hz，并且更加优选地，该换向频率的范围是从约500Hz到约3kHz。这种频率在零交叉附近提供了非常陡的波形，大大降低了HID灯熄灭的可能性。结合本交流发电机的其他用处工作在这些频率是非常有益的。在优选交流发电机中极数和槽数可能高达96或更高。当工作在相同的速率范围时，提供的发电机一般比工业的典型装置更有效，并且结果提供更大的速率选择。本配置结合了高能量效率，高功率密度，装配简易，以及贵重软硬磁材料的有效使用，对于具有较大范围的速率、功率和扭矩额定值的发电机的构造尤其有吸引力。

热性质和热效率

在所有的发电机中，包括那些使用常规硅铁合金的和那些使用改进的低铁心损耗软磁材料的发电机，限制可达到的装置输出效率的特征之一是消耗到废热的能量损失。该废热来自许多源头，但主要来自电阻损耗，绕组中的趋肤效应和邻近效应损耗，来自磁铁和其他转子部件中涡流的转子损耗，以及来自定子心的铁心损耗。常规发电机的“连续功率极限”通常由最大速率来确定，在该最大速率下发电机能连续工作同时还能发散足够的废热以防止不可接受的温升。该连续功率极限是电流的函数。

在本发明的实践中最优可用的高频，高极数电气装置中，产生了较少的废热，因为非晶态，纳米晶，和优化的铁基金属合金比常规的硅铁具有更低的损耗。设计者可以通过增加频率，速率和功率，然后恰当地平衡并且“交换”低铁心损耗和电阻损耗来开发这些材料的低损特征。总的说来，对于同常规发电机一样的功率，在本发明中最优可用的高频，高极数电气装置呈现出更低的损耗，和因此得到的更高的扭矩和速率，并且能因此达到比常规发电机更高的连续速率极限。

本发明的一个方面的实践中优选的发电机的一个优点是在保持成本效率的同时最大化装置的效率的能力。按常规，装置效率定义为有用功率输出除以功率输入。在本发明中最优可用的高频高极数电气装置同时工作在更高的换向频率，并具有高极数，结果产生了具有低铁心损耗和高功率密度的更有效的装置。它们超越了工业标准的高频极限400Hz，至今在此频率之上的实际应用还很少，如果还有的话。

适用于本发明的优选高频高极数电气装置的性能和提高的效率并不仅仅是将常规硅铁替换为非晶态金属而得到的内在特征。已经提出了许多关于非晶态金属的设计，但是遭遇了性能失败(包括过热和更低的输出功率)。人们相信该失败的发生很大程度上是由于仅仅按为常规材料(含硅重量为3.5％或更少的硅铁)设计并适合于常规材料的方式来应用新材料(例如，非晶态金属)和生产方法。早期的性能失败，连同将非晶态金属处理成电动机所付出的代价，使得工业上放弃了研究工作。

通过旋转电机的设计，开发了非晶态，纳米晶，或优化的铁基金属合金或晶粒取向或非晶粒取向的铁基材料的有益特性，本优选电气装置克服了现有技术的性能失败。还提供了与各种不同改进材料的物理和机械特性相一致的制造方法。

下面的示例是为了提供本发明的更全面的理解。为了说明本发明的原则和实践而提出的具体技术，条件，材料，比例和报告数据仅是示例性的，并且不应当被解释为限制本发明的范围。

示例

在用于HID照明系统的四相交流发电机中有用的轴向空气隙式定子被设计为具有48个齿和槽。该定子的外径为200mm，内径为120mm，槽深29mm。该转子具有36极，并且用烧结的NdFeB磁铁组成。该交流发电机设计为产生约每相1kW以驱动标准的金属卤化物HID灯，提供约550Vrms的起弧电压和约250Vrms的工作电压。使用在个人计算机上运行的有限元分析软件对一系列定子结构进行评价，该定子结构包括铁心齿面积“A”，平均槽距“P”，槽宽“w”，转子侧收进(side setback)“G”以及线圈轴向长度(等于T-G)。计算电感L和电感常数，其中：

$K_l=\mathrm{\μ}\frac{A}{l}---\left(2\right)$

L＝N²K_l    (3)

并且μ是磁路的有效磁导率，A是截面积，N是绕组的数目。按照来自每个电路的自感K_ls和其与其他电路的互感K_lm的加成贡献进一步分析K_l。使用多元回归分析，发现量K_ls和K_lm可以由下列近似式给出：

$K_{\mathrm{ls}}=\frac{A}{0.00077+0.0605\×P+0.0779\×w-0.0655\×[G+\frac{T-G}{2}]}---\left(4\right)$

$K_{\mathrm{lm}}=\frac{A}{0.0018+0.141\×P+0.282\×w-0.197\×[G+\frac{T-G}{2}]}---\left(5\right)$

其中K_ls和K_lm的单位为μH/匝²，线性尺寸P，w，G，T的单位为m。总电感常数K_l是K_ls与K_lm的和。

交流发电机的工作由下列近似方程控制：

V＝[(K_e·N·f)²-(2π·f·I·K_l·N²)²]^1/2        (6)

其中反电动势常数K_e由以下方程给出：

V＝[(K_e·N·f)²-(2π·f·I·K_l·N_c·N²)²]^1/2     (8)

N_c是每相串联连接的线圈数目(在示例性配置中为12)，B_pk是峰值磁通量密度(示例性设计中为0.93T)。因子cos(22.5°)表示串联反向连接的相邻齿的线圈间的45电度相位角。

选择交流发电机的设计使其尽可能好地满足下面的限制：

空载时电压＝K_e·N·f＝550Vrms

加载时电压V＝250Vrms

加载时电流I＝4Arms

满足这些近似限制的尺寸的一个合适的选择为：P＝10.5mm，w＝5mm，G＝3.3mm，T＝29.3，和N＝66。这样的设计有利地允许包括四个额定功率均为1kW的金属卤化物HID灯的灯塔系统能够可靠地启动和工作。

为了测试目的，该交流发电机可直接由可变速率电动机或柴油机驱动。该系统允许四个灯可靠启动，轴速低至约2500rpm，相当于约750Hz的换向频率。在可靠启动后，可以在约1000rpm或更高的轴速保持连续工作。

已经相当详细地描述了本发明，将要理解的是并不需要严格遵循这种详述，各种变化和修改对于本领域的技术人员应当是显而易见的。例如，虽然此处一般描述的是轴向空气隙式电机，但根据这里所公开的原理也可以设计径向空气隙式电机。此外，本交流发电机还可以是另一种类型，如感应式电机，同步电机，同步磁阻电机，开关磁阻电机，以及DC电磁电机。相应地，意图是这些修改都包括在由下面的权利要求所定义的本发明的范围之内。

Claims (38)

1.一种高强度照明系统，其包括多个电连接到多相交流发电机的高强度放电灯和机械连接到所述交流发电机的原动机，其中所述交流发电机包括：

(a)至少一个定子总成，其包括：包括多个从背铁部分延伸的齿部分的定子心；和多个定子相位绕组，每个相位绕组包括多个连接的线圈，每个线圈围绕所述齿部分之一；

(b)至少一个转子总成，其被支撑用于绕轴旋转，并且包括多个极，所述转子总成排列设置为与所述至少一个定子总成进行磁相互作用；以及

(c)其中所述定子心的所述齿部分包括成对的圆周上相邻的齿，相等数量的所述对与所述交流发电机的每个所述相位相关联，并且围绕每对的所述相应齿的所述线圈以反向缠绕，并且串联连接。

2.如权利要求1所述的一种照明系统，其中所述交流发电机是径向空气隙式电机。

3.如权利要求1所述的一种照明系统，其中所述交流发电机是轴向空气隙式电机。

4.如权利要求1所述的一种照明系统，其中所述交流发电机包括一个定子总成和一个转子总成。

5.如权利要求3所述的一种照明系统，其中所述交流发电机包括一个所述转子总成和两个所述定子总成。

6.如权利要求5所述的一种照明系统，其中所述定子相位绕组在所述定子总成间均匀分配。

7.如权利要求3所述的一种照明系统，其中所述交流发电机包括额外的定子总成，该额外定子总成具有适于为非照明设备提供电能的绕组。

8.如权利要求1所述的一种照明系统，其中所述定子心包括低铁心损耗磁性材料，其包括层叠的层，该分层由至少一种选自非晶态金属，纳米晶金属和优化的铁基合金的材料组成。

9.权利要求8的照明系统，其中所述层叠的层包括非晶态金属。

10.权利要求1的照明系统，其中所述定子心包括低铁心损耗磁性材料，当工作在激励频率“f”到峰值感应水平“B_max”，该材料具有小于“L”的铁心损耗，其中L由公式L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3确定，铁心损耗、激励频率和峰值感应水平分别以瓦特每千克，千赫兹以及特斯拉为单位测量。

11.权利要求1的照明系统，其中所述交流发电机适于工作在至少约200Hz的换向频率。

12.权利要求11的照明系统

13.权利要求1的照明系统，其中

14.权利要求13的照明系统，其中所述磁铁包括稀土-过渡金属合金。

15.权利要求14的照明系统，其中所述磁铁是SmCo或FeNdB磁铁。

16.权利要求1的照明系统，其中所述原动机包括电动机。

17.权利要求1的照明系统，其中所述原动机包括内燃机。

18.权利要求1的照明系统，其中所述原动机包括也用于车辆推进的内燃机。

19.权利要求1的照明系统，其中每个所述齿部分中止于与所述背铁部分相对的自由端，并且所述线圈排列在该齿部分的一部分上到与所述自由端的分开的点，该分开足够给所述交流发电机提供预先选定的电感。

20.一种高强度照明系统，其包括多个电连接到多相交流发电机的高强度放电灯和机械连接到所述交流发电机的原动机，其中所述交流发电机包括：

(a)至少一个定子总成，其包括：包括多个从背铁部分延伸的齿部分的定子心；和多个定子相位绕组，每个绕组包括多个连接的线圈，每个线圈围绕所述齿部分之一；

(b)至少一个转子总成，其被支撑用于绕轴旋转，并且包括多个极，该转子总成排列设置为与所述至少一个定子总成进行磁相互作用；以及

(c)其中所述交流发电机具有固有阻抗特征，用于限制到达所述灯的电流以及用于在没有任何独立阻抗的情况下维持灯的工作。

21.权利要求20的照明系统，其中所述灯是高强度放电灯，需要保持电压以维持一对间隔的电极间的电流用于产生输出光，并且所述绕组在每个相位具有交流电压输出，该电压输出具有基本上在电流的零交叉处足以维持全灯接通操作的保持电压。

22.权利要求20的照明系统，其中所述灯是高强度放电灯，其需要保持电压以维持一对间隔的电极间的电流用于产生输出光，并且所述绕组在每个相位具有交流保持电压输出，该电压输出包含基本上在电流零交叉处足以维持全灯接通操作的比较陡的电压变化。

23.权利要求20的照明系统，其中所述用于限制电流的固有阻抗特征在每个相位产生起弧电压，以启动所述灯的接通，以及此后产生足以维持所述灯工作的保持电压。

24.权利要求20的照明系统，其中所述交流发电机的每个相位具有磁路，并且在所述灯工作过程中每个所述磁路基本上与其他所述磁路不发生相间磁相互作用。

25.权利要求20的照明系统，其中所述定子心的所述齿部分包括成对的圆周上相邻的齿，相等数量的所述对与所述交流发电机的每个所述相位相关联，并且所述线圈围绕着每对的所述相应齿，该线圈按反向缠绕并且串联连接。

26.权利要求20的照明系统，其中每个所述齿部分中止在与所述背铁部分相对的自由端，并且所述线圈排列在该齿部分的一部分上到与该自由端的分开的点，该分开足以给所述交流发电机提供预先选定的电感。

27.权利要求20的照明系统，其中所述定子心包括低铁心损耗磁性材料，其包括层叠的层，该分层由至少一种选自非晶态金属，纳米晶金属和优化的铁基合金的材料组成。

28.权利要求27的照明系统，其中所述层叠的层包括非晶态金属。

29.权利要求20的照明系统，其中所述定子心包括低铁心损耗磁性材料，当工作在激励频率“f”到峰值感应水平“B_max”，该材料具有小于“L”的铁心损耗，其中L由公式L＝12·f·B^1.5+30·f^2.3·B^2.3确定，铁心损耗、激励频率和峰值感应水平分别以瓦特每千克，千赫兹以及特斯拉为单位测量。

30.一种用于设置发电机的电感的方法，该发电机包括：

(a)至少一个定子总成，其包括：定子心，该定子心包括多个从背铁部分延伸并中止在与该背铁部分相对的自由端的齿部分；以及至少一个定子相位绕组，其包括多个连接的线圈，每个线圈围绕着所述齿部分之一，并且该线圈排列在该齿部分的一部分上到与该自由端的分开点；

(b)至少一个转子总成，其被支撑用于绕轴旋转，并且包括多个极，该转子总成排列设置为与所述至少一个定子总成进行磁相互作用，

该方法包括选择所述分开点，以便所述分开足以为该电机提供预先选定的电感。

31.一种多相交流发电机，包括：

(a)至少一个定子总成，其包括：包括多个从背铁部分延伸的齿部分的定子心；和多个定子相位绕组，每个相位绕组包括多个连接的线圈，每个线圈围绕所述齿部分之一；

(b)至少一个转子总成，其被支撑用于绕轴旋转，并且包括多个极，该转子总成排列设置为与所述至少一个定子总成进行磁相互作用；以及

(c)其中所述定子心的所述齿部分包括成对的圆周上相邻的齿，相等数量的所述对与交流发电机的每个所述相位相关联，并且围绕每个对的所述相应齿的所述线圈以反向缠绕，并且串联连接。

32.权利要求31的交流发电机，其中所述交流发电机的每个相位都有磁路，并且在所述交流发电机工作过程中所述磁路中每个磁路基本上与所述磁路中其他磁路不发生相间磁相互作用。

33.权利要求31的交流发电机，其中每个所述齿部分中止在与所述背铁部分相对的自由端，并且所述线圈排列在该齿部分的一部分上到与该自由端的分开的点，该分开足以给所述交流发电机提供预先选定的电感。

34.一种用于对远程地点进行照明的方法，包括：

(a)提供多相交流发电机和机械连接到该交流发电机的原动机，所述交流发电机包括：

(i)至少一个定子总成，其包括：包括多个从背铁部分延伸的齿部分的定子心；和多个定子相位绕组，每个相位绕组包括多个连接的线圈，每个线圈围绕所述齿部分之一；

(ii)至少一个转子总成，其被支撑用于绕轴旋转，并且包括多个极，所述转子总成排列设置为与所述至少一个定子总成进行磁相互作用；以及

(iii)其中所述定子心的所述齿部分包括成对的圆周上相邻的齿，相等数量的所述对与所述交流发电机的所述相位的每一相位相关联，并且围绕每一对的所述相应齿的所述线圈以反向缠绕，并且串联连接。

(b)提供多个高强度放电灯；

(c)用所述交流发电机电激励所述多个高强度放电灯，所述交流发电机的每个相位连接到所述灯之一。

35.如权利要求34所述的一种方法，其中所述高强度放电灯固定在悬臂上，并且所述原动机、所述交流发电机和所述悬臂安装在可移动底座上。

36.一种用于构造多相交流发电机的方法，包括：

(a)提供至少一个定子总成，其包括：包括多个从背铁部分延伸的齿部分的定子心；和多个定子相位绕组，每个相位绕组包括多个连接的线圈，每个线圈围绕所述齿部分之一，其中所述定子心的所述齿部分包括成对的圆周上相邻的齿，相等数量的所述对与所述交流发电机的所述相位的每一相位相关联，并且围绕每一对的所述相应齿的所述线圈以反向缠绕，并且串联连接；以及

(b)提供至少一个转子总成，其被支撑用于绕轴旋转并且包含多个极，所述转子总成排列为与所述至少一个定子总成进行磁相互作用。

37.权利要求36的方法，其中所述交流发电机是轴向空气隙式电机。

38.权利要求37的方法，其中所述定子总成通过包含以下步骤的工艺形成为整体结构：

(a)螺旋地缠绕低铁心损耗磁性材料的所述层叠的层的螺环，所述螺环具有内径、外径和螺环高；以及

(b)切割多个槽，该槽沿基本径向方向从所述内径延伸到所述外径，并且该槽的槽深小于所述螺环高。

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