裝備具有優化寬度的鐵磁極間元件的有齒轉子和裝備該轉子的旋轉機械的製作方法
2023-05-06 22:25:41 2
專利名稱：裝備具有優化寬度的鐵磁極間元件的有齒轉子和裝備該轉子的旋轉機械的製作方法
裝備具有優化寬度的鐵》茲極間元件的有齒轉子 和裝備該轉子的旋轉機械
本發明涉及一種旋轉電機轉子，其包括兩個帶爪(prong)的磁極星輪 (field spider )。
本發明更具體地涉及一種特別地用於機動車輛的旋轉電機轉子，該轉子 包括
-繞軸向旋轉軸線安裝的旋轉軸；
-前磁極星輪和後磁極星輪，它們具有在90和120mm之間的相同外直 徑，且被定心安裝在軸上，每個》茲極星輪都包括圓形徑向板；
-爪，從設置在每個磁極星輪的板的周邊處的基部沿另一磁極星輪的方 向一直軸向地延伸到自由端，磁極星輪的每個爪被切向地嵌套在另一磁極星 專侖的兩個相鄰軸向周邊爪之間，每個爪都由兩個側面切向地界定；
-在各;茲極星輪的兩個相繼爪的平行相對側面之間的極間切向空間；
-至少一個鐵磁元件，設置在至少一個極間空間內且具有一寬度，該寬 度被限定為正交於相鄰爪的側面。
本發明還涉及一種旋轉電才幾，該電機包括
-根據本發明教導製造的轉子；
-定子，包括與轉子共軸的環形主體，該環形主體包括按預定齒距沿環 形主體以規則的間隔分布的軸向溝槽，且該定子包括多相定子繞組，該多相 定子繞組包括設置在相關聯的 一 系列溝槽中的多個相繞組。
這種類型的旋轉電機轉子在現有技術中是已知的。當裝備有這樣的轉子 的旋轉電機在使用時，每個磁極星輪的爪形成磁極，例如用於第一磁極星輪 的北極和用於第二磁極星輪的南極。從一個磁極星輪的極循環到另一磁極星 輪的極的磁通穿過由圍繞轉子的定子繞組形成的線圈。
這樣的旋轉電機例如是交流發電機，其用於在轉子被機械地驅動旋轉時 在定子繞組內產生電流。
為了防止這些極發出的磁通造成定子繞組線圈短路，現有技術中已知的 是提出，將由鐵磁元件形成的永磁體插置在轉子的兩個相繼的相對極之間。本發明特別是意圖通過提出前述類型的轉子來改善這樣的旋轉電機的
輸出，其中鐵磁元件的有效寬度在5mm和6mm之間。 根據本發明的其它特徵
-鐵磁元件包括切向地堆疊在極間空間內的至少兩個鐵磁材料件，鐵磁 元件的有效寬度等於這些鐵磁材料件的有效寬度的總和；
-每個爪具有梯形形狀，該形狀從基部向自由端會聚，每個爪的側面相 對於軸向方向形成爪角，且其中，通過減少爪角，極間空間的寬度適合於鐵 〃磁元件的寬度；
-每個磁極星輪包括6個爪；
-每個》茲極星4侖包括8個爪。
本發明還提出 一種裝備有這樣的轉子的旋轉電機，其表現出降低的磁 噪。為此，該旋轉電機的特徵在於，齒距小於每個爪的側面沿軸向投影的長 度，以使磁噪最小化。
根據旋轉電機的其它特徵
-定子繞組包括至少六個相繞組；
-定子包括36個溝槽；
-定子包括72個溝槽；
-定子包括48個溝槽。
在閱讀以下詳細說明的過程中，其它優點和特點將變得顯而易見，為了
便於理解，應參考所附附圖，其中
-
圖1是裝備有轉子的交流發電機的軸向截面視-圖2是顯示圖1的交流發電機的定子主體的軸向視-圖3是圖1所示的轉子的磁極星輪的透視圖，根據本發明，該轉子包
括安裝在軸向爪之間的鐵磁元件；
-圖4是分別屬於第一磁極星輪和第二磁極星輪的兩個爪的部分頂視
-圖5是類似於圖4的具有部分剖切的視圖，顯示了裝備有設置在極間
空間內的4失;茲元件的,茲才及星輪；
-圖6是根據圖5所示的齒的線6-6截取的截面視-圖7是一曲線，其表示當轉子以1800 r.p.m.旋轉時，基於鐵磁元件的
有效寬度，定子內感應出的電流的強度的功效(efficacy);-圖8是部分放大視圖，其顯示了磁極星輪的一個爪，該爪被設置到定
子的溝槽的右邊；
-圖9是類似於圖6的視圖，其表示本發明的一變體。 在說明書的其它部分中，類似、相似或相同的元件被賦予相同的參考標號。
本說明書的其餘部分採用了軸向方位、徑向方位和切向方位，其中軸向 方位由圖1和6中的從後指向前的箭頭"A"表示，徑向方位垂直於轉子的 軸向軸線方位延伸且由圖6中的從底部指向頂部的箭頭"R"表示，切向方 位正交於軸向"A"和徑向"R"方位且由圖6中的箭頭"T，，表示。
此外，朝向轉子中間取向的徑向面被稱為內面，而沿相對方向取向的面 被稱為外面。同樣，朝向軸的旋轉軸線取向的軸向面被稱為內面，而沿相對 方向取向的軸向面被稱為外面。
參考圖1,在本例中，旋轉電機被顯示為用於具有熱發動機的機動車輛 的多相類型交流發電才幾(alternator )。顯然，該交流發電4幾還可以是可逆的 且可以包括交流發電機-起動器(alternator-starter)，特別是用於起動車輛的 熱發動才幾。
當該電機運行於交流發電機模式時，其把機械能轉換為電能，如任意其 它交流發電機。
當該電機運行於電動機模式時，特別是運行於起動器模式來起動車輛的 熱發動機時，其把電能轉換為機械能。
該電機主要包括殼體10和在該殼體內的轉子12，該轉子包括中心軸14。 中心軸14被安裝為相對於殼體IO繞其具有方位"B"的軸向軸線旋轉。殼 體IO還包封有環繞轉子12的定子16。
如圖2所示，定子16包括與轉子12共軸的環形圓柱主體18。定子由一 捆軸向堆疊的金屬疊層形成。環形主體18由外圓柱面20和內圓柱面22徑 向地界定，且由前徑向環形面24和後徑向環形面26軸向地界定。
環形主體18包括多個溝槽28，所述溝槽軸向地延伸以在前徑向面24 和後徑向面26的每個中敞開。環形主體18在此為半封閉類型，即，每個溝 槽28還通過軸向槽口 30在內圓柱面22中徑向地敞開，以實現定子繞組32 在環形主體16各側上的形成線圏端部的安裝。
溝槽28繞環形主體18按兩個相鄰溝槽28之間的預定的切向齒距"p"以規則的間隔分布。齒距"p"在此更具體地定義為第一溝槽28的徑向軸向 中間平面和相鄰的第二溝槽28的徑向軸向中間平面之間在內圓柱面22位置 處的距離。
該定子繞組32例如是六相繞組，其包括一套的六個相繞組。定子繞組 32的輸出連接到橋式整流器(未示出)，該橋式整流器包括整流元件，例如 二極體或MOSFET類型的電晶體，特別是當該電機是可逆類型的且包括例 如在文獻FR-A-2.725.445 (US-A-6,002,219)中所述的交流發電機-起動器時更 是如此。
每個相繞組通過使用連續的導電線獲得，該導電線覆蓋在絕緣層中且安 裝在定子16的環形主體18的相關聯的一系列溝槽28中。在附圖所示的實 施例中，定子繞組32包括六個相繞組，每6個溝槽28中插入有一個相繞組 的導電線。
根據一個變體，為了降低脈動係數(ripple factor)和磁噪，定子繞組32 包括兩套三相繞組來形成複合定子繞組裝置，這些繞組被偏置30電角度 (electrical degree),例如在文獻US-Al-2002/0175589、 EP-0.454.039和 FR-A-2.784.248中所述。在該情況下，設置有兩個橋式整流器且星形和/或三 角形的三相繞組的所有組合是可能的。
應注意，在所述實施例中，從後文可看到，轉子12包括8對極。因此 如果如前面引用的文獻FR-A-2.737.063所述那樣^沒置有兩套三相繞組，則 48個溝槽28#皮設置在定子16的主體內，或者，如前面引用的文獻US-A1 2002/0175589和EP-A1 0.454.039中的方案那樣設置96個溝槽28。
顯然，依賴於應用，轉子12可包括不同數量的極對。
根據一個未示出的變體，為了更好地填充定子16的主體18的溝槽28， 繞組通過使用例如通過焊接連接在一起的條形(bar-shaped)導體而實現， 條形導體例如插針(pin)。
通常，交流發電機是多相類型的，優選地包括多於三個相繞組，如說明 書中的進一步解釋。特別地， 一個或多個整流電橋使得特別地可以把定子16 的繞組中產生的感應交流電流整流為直流電流，特別是用於為機動車輛的電 池(未示出)充電和用於為機動車輛的車載系統中的負荷和耗電單元供電。
轉子12是帶爪的轉子，例如在文獻US-A1-2002/0175589和 EP-Al-0.454.039中所述那樣，其包括第一前石茲極星輪34和第二後磁極星輪34,它們軸向地並置。每個磁極星輪34包括總體為圓形的徑向板36，該徑
向板設置有中心孔口 38，旋轉軸14穿過該孔口。每個磁極星輪34被連接為
與旋轉軸14旋轉。
如圖3所示，每個磁極星輪34還包括爪40,這些爪從設置在板36的外
周邊處的基部42沿另一磁極星輪34的方向向內軸向地延伸到自由端44。每
個石茲極星輪34在此包括8個爪40。
根據一個未示出的變體，每個不茲極星輪34包括6個爪40。
爪40以規則的間隔分布在磁極星輪34的板36的圓周上。所有爪40在
此是相同的。
如圖4所示，每個爪40具有梯形形狀，該形狀從基部42向自由端44 會聚。每個爪40由兩個徑向側面46切向地界定。更特別地，每個爪40在 此形成截頂等腰三角形，該截頂等腰三角形的頂部形成爪40的自由端44, 且其底部由爪40的基部42形成。每個側面由此相對於軸向方向"A"形成 相同角度"a"。自此，該角度"a"被稱為"爪角"。
一個磁極星輪34的每個爪40嵌套(nest)在另 一磁極星輪34的兩個相 繼爪40之間，以使得第 一磁極星輪34的爪40的每個側面46被設置為面向 第二磁極星輪34的爪40的側面46，反之亦然。兩個磁極星輪的爪40是相 同的，相對的側面46基本平行。
第一前磁極星輪34的爪40用於形成具有第一符號的磁極，例如北極， 而第二後磁極星輪34的爪40用於形成具有第二符號的磁極，例如南極。因 此嵌套的爪40形成交替順序的北極和南極。
磁極星輪34彼此不接觸。為此，極間的切向空間47保留在第一前磁極 星輪34和第二後磁極星輪34的爪40之間。因此，兩個相關聯的相對側面 46彼此間隔開一寬度"Li"且它們界定出極間空間47。
在說明書的其餘部分和權利要求書中，"寬度"是根據與界定出所討論 -敗間空間47的相對側面46正交的軸線確定的。
參考圖1,勵磁線圈48軸向地嵌入在磁極星輪34的板36之間。其被轉 子12的具有與軸14共軸的圓柱環形芯部50形式的部分支承，該芯部包括 中心孔。以非限定性的方式，芯部50在此包括兩個軸向不同段，其每個都 由與相關聯石茲極星輪34相同的材料製造。
以現有技術中已知的方式，諸如永磁體這樣的鐵磁元件52被設置在轉子12的至少一個^l間空間47中。在圖中所示的例子中，轉子12包括16個 鐵磁元件52,每個都設置在轉子12的相關聯極間空間47中，即，所有極間 空間都裝備有鐵磁元件52。
根據本發明的一個未示出的變體，僅一些極間空間裝備有鐵磁元件52。
如圖5和6所示，每個4力磁元件52在此由一個平行六面體條形成，具 有平行於極間空間47的相關聯側面46的軸線，該鐵磁元件全部由鐵f茲材料 構成。在此，所有鐵磁元件的形式和尺寸都相同。
鐵石茲元件52更特別地由兩個北極和南極徑向面53切向地界定，這兩個 徑向面被設置為面向極間空間47的每個側面46。更確切地，北極面53被設 置為與北極磁極星輪的爪40的側面46相對，而南極面53被設置為與南極 磁極星輪的爪40的側面46相對。
以現有技術中已知的方式，鐵磁元件52被設置在大致軸向的溝槽54內， 這些溝槽形成在界定出極間空間47的側面46中。
更具體地，每個側面46的外邊緣都包括邊沿56,該邊沿切向地朝向極 間空間47的內部延伸，以使得當轉子12快速旋轉時保持4失》茲元件52徑向 》也才氐4元離心力。
當交流發電機在使用時，轉子12的勵磁線圈48被以一方式供電，以感 應出具有軸向軸線"B，，的磁場。該轉子磁場由磁極星輪34引導(channel) 以<更經由爪40重現(re-emerge )。
設置在極間空間內的鐵磁元件52被取向為防止磁通穿過極間空間47而 直接從一個磁極星輪34 "跳"到另一磁極星輪。因此，磁通被改變(deform) 為使得其向定子16的繞組32的線圈改向(redirect)。
轉子12則被驅動繞其軸線"B，，旋轉，且根據已知的物理現象，每個爪 40徑向地通過定子16的繞組32的相繞組的每個線圏的右方，這在定子16 的繞組32中感應出電 流。
根據本發明的教導，對於具有在90mm和120mm之間的外直徑的轉子 12，每個鐵》茲元件52的有效寬度"Lf，從在4mm和10mm之間的數值範圍 中選擇。令人驚訝地發現，通過把具有處於該有效寬度"Lf，範圍內的有效 寬度的鐵^磁元件52設置在一些或所有極間空間47內，在定子16的繞組32 中感應出的電流的強度是理想的。
因此，如圖7所示，通過測量發現的是，當轉子12以速度1800 r.p.m.旋轉時，當鐵磁元件52的有效寬度"Lf，落入在4mm和10mm之間的數值 範圍內時，定子16的繞組32中感應出的電流的強度表現為峰值。
有利地，當鐵;茲元件52的有效寬度"Lf，從在5mm和6mm之間的範 圍中選擇時，可獲得理想的輸出。
根據本發明的另一方面，極間空間47的寬度"Li"與鐵;茲元件52的有 效寬度"Lf，相適應，即，極間空間47的寬度"Li"必須基本等於鐵磁元 件52的寬度"Lf，。
實際上，極間空間47的寬度"Li"總是稍微大於鐵磁元件52的寬度， 以使得鐵;茲元件52不受到兩個爪40之間的任何壓應力，但是極面53必須 非常靠近在一起，且理想地與側面46接觸，以實現最大效率。
為此，轉子12的極間空間47的寬度"Li"必須與已知的轉子相關地相 適應。
不可能增加爪40的基部42的切向長度，因為該尺寸被設計約束條件限 制。極間空間47的寬度"Li，，由此通過減d、形成在側面46和軸向方向"A" 之間的爪角"a，，來調整。爪角"a，，通常在10。和25。之間。 但是，該調整傾向於影響交流發電機使用時產生的噪音。 實際上，當使用時，在轉子12和定子16之間循環的強大^f茲場在爪40 上產生循環徑向負荷。爪40由此在每次通過定子16的溝槽28右方時朝向 外部彈性地彎曲，其對應於一個線圏的結束且對應於下一線圏的開始。因此，
當轉子12以非常高的速度轉動時，例如大約lSOOr.p.m.時，爪40振動，產
生通常已知為"磁噪"的令人厭惡的嘯聲。
為了防止該磁噪變得太強烈，每個側面46的沿軸向投影的切向長度
"La"大於定子16的溝槽28的齒距"p"，以使得爪40的側面46在它們的
整個長度上不突然地和同時地受到線圏的變化，如圖7所示。每個側面46
的沿軸向投影的切向長度"La"由側面的長度乘以爪角"a"的正弦而得到。
為了減少磁噪，通常優選的是，爪角"a"滿足下面的不等式 廣 -定子x;r 、
a 2 Cretan
其中
是定子16的內直徑，其基本等於磁極星輪34的外直徑; 是每極和每相的溝槽28的數目；^是相繞組的數目；
邵是齒40的軸向長度。
本發明由此提出定子16裝備有較大數目的溝槽28,例如36、48或更多， 以使得齒距"p"減小，以適合於新的爪角"oc"，即，齒距"p"小於側面 46的沿軸向投影的長度"La"。
通常溝槽28的數目是定子繞組32的相數和,茲極星輪34的爪40的數目 的乘積的倍數。
有利地，這樣的定子16適於接收包括多於三相的定子繞組32，例如六 相或雙三相繞組。但是，本發明不限於該數目的相，且使得齒距"p"小於 每個側面46的沿軸向投影的長度"La"的任意其它相數也在本發明的範圍 之內。
根據圖9所示的第二實施例，鐵磁元件52由至少兩個不連貫的部分 52A、 52B形成，其每個都由鐵磁材料形成，且切向地堆疊在極間空間47內。 這樣的實施例例如描述於文獻FR-A-2.784.248的第6和7頁。
這兩個部分52A、 52B在此是平行六面體形的，其具有平行於側面46 的軸線。這兩個部分52A、 52B在此通過插置有柔性的徑向粘接層而彼此固 定。每個部分52A、 52B具有分別被稱為"LfA，，和"Lffi"的有效寬度。
根據本發明的教導，鐵磁元件52的有效寬度等於這兩個鐵-茲部分52A、 52B的有效寬度的和"LfA+Lffi",而不包括粘接層的寬度，且落入前面限定 的理想範圍內。
總之，應理解，鐵,茲元件52的有效寬度"Lf，等於切向地堆疊在極間 空間47的兩個側面46之間的所有鐵磁部分52A、52B的寬度和"LfA+LfB"， 而不考慮任何非鐵;茲材料的插置層。
權利要求
1. 一種旋轉電機轉子(12)，特別地用於機動車輛，該轉子包括軸(14)，被安裝為繞軸向旋轉軸線(B)旋轉；前磁極星輪(34)和後磁極星輪(34)，二者具有在90和120mm之間的相同外直徑且被定心安裝在軸(14)上，每個磁極星輪(34)都包括圓形徑向板(36)；爪(40)，從設置在每個磁極星輪(34)的板(36)的周邊處的基部(42)朝向另一磁極星輪(34)一直軸向地延伸到自由端(42)，磁極星輪(34)的每個爪(40)被切向地嵌套在另一磁極星輪(34)的兩個相鄰軸向周邊爪(40)之間，每個爪(40)由兩個側面(46)切向地界定；極間切向空間(47)，在各磁極星輪(34)的兩個相繼爪(40)的平行相對側面(46)之間；至少一個鐵磁元件(52，52A，52B)，設置在至少一個極間空間(47)內且具有一寬度(Lf)，該寬度被限定為正交於相鄰爪(40)的側面(46)；其特徵在於，鐵磁元件的有效寬度(Lf)在5mm和6mm之間。
2. 如前一項權利要求所述的轉子(12),其特徵在於，鐵磁元件(52) 包括至少兩個鐵磁材料件(52A, 52B)，它們切向地堆疊在極間空間(47) 內，鐵磁元件(52)的有效寬度(Lf)等於這些鐵磁材料件(52A， 52B) 的有效寬度的和(LfA+Lffi)。
3. 如前一項權利要求所述的轉子(12),其特徵在於，每個爪(40)具 有梯形形狀，該形狀/人基部(42)朝向自由端(44)會聚，每個爪(40)的 側面(46)相對於軸向方向(A)形成爪角(oc );通過減小爪角(cx ),極 間空間(47)的寬度(Li)適應於鐵-茲元件(52)的有效寬度(Lf)。
4. 如前述權利要求中的任一項所述的轉子(12)，其特徵在於，每個磁 極星輪(34 )包括6個爪(40 )。
5. 如權利要求1至3中的任一項所述的轉子(12)，其特徵在於，每個 石茲極星輪(12 )包括8個爪(40 )。
6. —種》走轉電4幾，包括如權利要求3至5中的任一項所述的轉子(12 );定子(16),包括與轉子(12)共軸的環形主體(18),該主體包括按預定齒距(p)沿環形主體(18)以規則的間隔分布的軸向溝槽(28),且該定 子包括多相定子繞組(32)，該多相定子繞組包括被設置在相關聯的一系列 溝槽(28)中的多個相繞組；其特徵在於，齒距(p)小於每個爪(40)的側面(46)沿軸向投影的 長度(La),以使;磁噪最小化。
7. 如前一項權利要求所述的旋轉電機，其特徵在於，定子繞組(32)包 括至少六個相繞組。
8. 如前一項權利要求結合權利要求3所述的旋轉電機，其特徵在於，定 子(16)包括36個溝槽(28)。
9. 如權利要求6結合權利要求3所述的旋轉電機，其特徵在於，定子(16) 包括72個溝槽(28)。
10. 如權利要求6結合權利要求4所述的旋轉電機，其特徵在於，定子 (16)包括48個溝槽(28)。
全文摘要
本發明涉及一種旋轉電機轉子(12)，其包括旋轉軸(14)；兩個磁極星輪(34)，二者具有範圍在90和120mm之間的相同直徑且被定心安裝在軸(14)上，每個磁極星輪(34)都包括圓形徑向板(36)；爪(40)，朝向另一磁極星輪(34)軸向地延伸以切向地嵌套在另一磁極星輪(34)的兩個相鄰軸向周邊爪(40)之間；極間切向空間(47)，在每個磁極星輪(34)的兩個相繼爪(40)的平行相對側面(46)之間；和至少一個鐵磁極間元件(52，52A，52B)，具有限定為垂直於相鄰爪(40)的側面(46)的寬度(Lf)。根據本發明，鐵磁元件的有效寬度(Lf)在5mm和6mm之間。
文檔編號H02K1/22GK101523697SQ200780037795
公開日2009年9月2日 申請日期2007年8月20日 優先權日2006年10月10日
發明者奧利維爾·加斯, 史蒂芬·裡高德, 馬克·滕齊尼 申請人:法雷奧電機設備公司