一種車輛用交流發電機的製作方法

2024-03-10 21:54:15 1

專利名稱：一種車輛用交流發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種搭載在乘用車、卡車上的車輛用交流發電機。
背景技術：
近年來，對於汽車用交流發電機提出了小型化並且在相同體積規格下改善發電能力的要求。也就是說，要求以合理的價格提供一種體積小並且輸出高的車輛用交流發電機。一般來說，如圖1所示，車輛用交流發電機包括勵磁線圈2、定子鐵芯3和轉子芯2。轉子芯具有倫德爾型鐵芯構成，如圖2所示，該倫德爾型鐵芯含有軛部21、軛鐵部22和爪狀磁極部24。在此轉子芯中流動的磁通Φ從軛部流到軛鐵部、爪狀磁極部，並且磁通從爪狀磁極部流入定子鐵芯。普通發電機的全長由轉子的沿軸向方向的長度(下面稱為軸向長度)確定。相應地，為了設計結構緊湊的發電機，希望轉子的軸向長度減小。眾所周知，由轉子芯產生的磁通Φ表不為:(轉子發生的磁通Φ)=(勵磁線圈AT)/(各部(軛、軛鐵、爪狀磁極、空隙、定子鐵芯)磁阻的和)。其中「A」表示流過磁場線圈的電流；「T」表示磁場線圈的圈數。為了通過增大轉子產生的磁通量來提高輸出，必須減小磁阻或增大勵磁線圈的AT。在圖2所示的現有結構中，轉子芯各部的磁路剖面S1、S2、S3優選為基本相同，轉子芯的軛部分的軸向長度L2等於定子鐵芯的軸向長度LI。當需要增大發電機的電力輸出時，需要增大轉子芯產生的磁通量。為了實現增大轉子芯的磁通量，需要增大線圈「AT」(即，加大磁場線圈)的值或減小磁阻。在不改變轉子尺寸的情況下，如果要增加產生的磁通量，則磁場線圈的橫截面面積需增大，以便增強線圈「AT」，同時轉子磁路相應部分的橫截面面積將減小。但如果要減小磁阻，則磁路橫截面面積需要增大，以便減小磁阻，同時磁場線圈的橫截面面積將減小，因此現有結構需要在兩種需求之間考慮折中選擇。在圖3所示的現有結構中，轉子芯的各部的磁路剖面SI等於S2、S3遠小於S2，轉子芯軛部分的軸向長度L2等於定子鐵芯的軸向長度LI，由於S3遠小於S2，雖可以得到較大的磁場線圈的橫截面面積，但爪狀磁極部分的基部S3磁飽和，因此磁通量沿軸向洩漏，磁通量的洩漏導致到達定子鐵芯的磁通量減少，而定子鐵芯中減少的磁通量降低了發電機的電力輸出。在圖4所示的現有結構中，轉子芯的各部的磁路剖面S1、S2、S3優選為基本相同，轉子芯軛部分的軸向長度L2小於定子鐵芯的軸向長度LI，並且軛鐵部分和定子鐵芯相對，部分磁通量直接由軛鐵部分流向定子鐵芯，這雖然增加了流向定子鐵芯的磁通，但磁路剖面S1、S2、S3基本相等，使得增強線圈「AT」仍然比較困難。在圖5所示的現有結構中，轉子芯各部的磁路剖面SI等於S2、S3遠小於S2，轉子芯軛部分的軸向長度L2小於定子鐵芯的軸向長度LI，由於S3遠小於S2，可以得到較大的磁場線圈的橫截面面積，但爪狀磁極部分的基部磁飽和。因此，儘管部分磁通量可以直接由軛鐵部分流向定子鐵芯，但是爪狀磁極部分的基部的磁阻突然增大，從而使得流向定子鐵芯的磁通總量明顯受到限制。在圖6所示的現有結構中，轉子芯的各部的磁路剖面SI等於S2、S3等於S2的
0.47 0.8 (由X1A2=0.5 0.9換算得出)，轉子芯軛部分的軸向長度L2小於定子鐵芯的軸向長度LI，同樣由於S3大大小於S2，雖然可以得到較大的磁場線圈的橫截面面積，但爪狀磁極部分的基部仍趨於磁飽和。因此，儘管部分磁通量可以直接由軛鐵部分流向定子鐵芯，但是爪狀磁極部分的基部的磁阻仍然很大，導致流向定子鐵芯的磁通總量降低。在現有的磁場線圈空間中，提高磁場線圈「AT」，如磁場電流增大，磁場線圈產生的熱量增加，因此造成對其冷卻的困難，產生勵磁損失增加，降低電力輸出效率。為此，有以下方法，即利用自融電線、使用高導熱性樹脂線圈架等，改善勵磁線圈的冷卻特性。另外，還有採用不改變轉子芯的尺寸和形狀，減小空氣間隙或增大定子鐵芯的方法，以減小空氣間隙和定子鐵芯的磁阻為目的，但是，定子鐵芯在整個磁阻中所佔的比率小於轉子芯，此外空氣間隙的大小是根據機械方面的限制條件來決定，而不是根據轉子和定子的工作精度、最高轉速等電磁方面的限制條件，因此難以實現。還有，用一種磁鐵插入爪狀磁極部分之間的區域，以防止磁通量的洩漏，從而增加轉子芯中的磁通量的總量。在這種情況中，由於使用磁鐵和夾持磁鐵的裝置而造成成本提高，同時由於有離心力的作用，磁鐵有可能在高轉速下飛出原來的位置。
發明內容鑑於上述存在的問題及轉子芯和定子鐵芯的磁路具有磁飽和的特性，並且發電機重量與定子鐵芯的高度密切相關，與通過增大勵磁線圈的空間來增加勵磁線圈「AT」相比，本實用新型通過增大磁路的剖面來減小磁阻更能有效地增加流過定子鐵芯的磁通量，採用轉子芯軛部分的軸向長度L2小於定子鐵芯的軸向長度LI並且適當限制定子鐵芯的高度，同時，使用了轉子芯各部分尺寸適當確定的設計，這些設計採用了協同效應，目的是為車輛提供一個結構緊湊的大電力發電機，其具有好的輸出效能和低的成本。本實用新型解決上述技術問題的技術方案為:一種車輛用交流發電機，具有:勵磁線圈、轉子芯和定子鐵芯；轉子芯，其具有倫德爾型鐵芯，該倫德爾型鐵芯具有卷裝該勵磁線圈的軛部，該軛部呈圓筒狀，從該軛部的軸方向位置向外周方向擴大的軛鐵部，與該軛鐵部連接並且形成為包圍所述勵磁線圈的爪狀磁極；定子鐵芯，在轉子芯爪狀磁極的外周對向配置，由層壓鐵芯和銜鐵線圈構成；其特徵在於:所述轉子芯的軛部外半徑設為R2，爪狀磁極部分的外半徑設為R3, R2/R3的比率為0.53 0.51 ;所述轉子芯軛鐵部的剖面設為S2，爪狀磁極的根部剖面設為S3，S3/S2的比率大於0.9，S3/S2的比率為0.90 0.98，所述定子鐵芯的軸方向長度設為LI，轉子芯軛部的長度設為L2，L1/L2的比率大於I。上述L1/L2的比率更好為1.10 1.40，最好為1.26。在本實用新型中，R2/R3的比率為0.53 0.51，可以提供一個比現有結構更大的勵磁線圈的橫截面面積，使得在不增大磁場電流的情況下提供一個結構緊湊，高效能的發電機。在本實用新型中，S3/S2的比率為0.90 0.98，如0.93、0.95、0.97，爪狀磁極部分的磁通量密度可以在一個最佳的範圍內，同時，可以防止因S3過小而導致爪狀磁極部分的磁飽和，降低發電機的電力輸出。在本實用新型中，L1/L2的比率大於1，最好設為1.10 1.40，如1.26。磁通量能夠直接從軛鐵部分流入定子鐵芯。

圖1是本實用新型的車輛用交流發電機的主要部分剖面圖。圖2是在現有結構中的定子鐵芯和轉子芯間流動的磁通量示意圖，其中轉子鐵芯的 S1=S2=S3 ；L1=L20圖3是在現有結構中的定子鐵芯和轉子芯間流動的磁通量示意圖，其中轉子芯的S1=S2、S3〈S2;L1=L2。圖4是在現有結構中的定子鐵芯和轉子芯間流動的磁通量示意圖，其中轉子芯的S1=S2=S3 ；L1) L2。圖5是在現有結構中的定子鐵芯和轉子芯間流動的磁通量示意圖，其中轉子芯的S1=S2、S3 (S2 ；L1) L2。圖6是在現有結構中的定子鐵芯和轉子芯間流動的磁通量示意圖，其中轉子芯的S1=S2、S3=0.47S2 0.80S2 ；L1) L2。圖7是本實用新型定子鐵芯和轉子芯的等效磁路示意圖。圖8是本實用新型車輛用交流發電機中轉子芯的剖面圖。圖9是圖8從轉子芯的圓柱部分方向看的視圖。圖10是圖8從轉子芯的圓柱部分方向看的放大視圖。圖11是S3/S2的比率為0.96時，每單位重量的發電機的電力輸出和L1/L2比率之間關係的不意圖。圖12是L1/L2的比率為1.26時，S3/S2的比率和磁阻大小之間關係的示意圖。圖13是L1/L2的比率為1.26時，每單位重量的發電機的電力輸出和S3/S2比率之間關係的不意圖。圖14是R2/R3的比率為0.53時，每單位重量的發電機的電力輸出和L1/L2比率之間關係的不意圖。圖15是L1/L2的比率為1.26時，每單位重量的發電機的電力輸出和R2/R3比率之間關係的不意圖。
具體實施方式
參見圖1，按照本實用新型的一個實施例的一個車用發電機包括後殼、皮帶輪、前軸承、後軸承、電刷、滑環、冷卻風扇、整流器、軸、電壓調節裝置、勵磁線圈、轉子芯和定子鐵芯。定子鐵芯用作一個電樞，轉子芯用於產生磁場，轉子芯包括呈圓柱形的軛部分，軛鐵部分以及爪狀磁極部分，殼體支撐定子鐵芯及轉子芯，整流器直接與定子相連，整流器將交流電轉換為直流電，電壓調節裝置調節磁場電流以控制產生的電力，電壓調節裝置中的電晶體和磁場線圈的高電壓側相連，從而當發電機不工作時，磁場線圈可以不承受電壓。轉子芯和軸一同轉動，軸和一個皮帶輪相連，並且向車輛發動機(未示出)提供動力驅動並旋轉。[0039]下面參考圖，對磁路進行詳細的描述。轉子芯的軛部外半徑設為R2，爪狀磁極部分的外半徑設為R3 ;在將所述轉子芯軛鐵部的剖面設為S2，爪狀磁極的根部剖面設為S3 ;所述定子鐵芯的軸方向長度設為LI,轉子芯軛部的長度設為L2。設轉子芯磁極對數P為6對，Χ2=13.5mm, R3=50.15mm，發電機的空隙δ (定子鐵芯2和轉子芯3之間的空隙)等於通常所使用的值，即0.35_，爪狀磁極的結構為內徑側與外徑側相比出現等距縮小的情況下:參考軛鐵部分的橫截面面積S2如下:S2=ff.X2W = 2Sinl5°.π R3/ (2Ρ)其中「P」表示轉子芯磁極對數爪狀磁極部根部的橫截面面積S3如下:S3= 31 (R32 - (R3-X1) 2}/(2Ρ)當X1=0.5Χ2 時，S3/S2 = 0.47當X1=0.9Χ2 時，S3/S2 = 0.80當X1=X2 時，S3/S2 = 0.90如前所述，R2/R3的比率小於0.54，如0.53 ;可以提供一個比現有結構更大的勵磁線圈的橫截面面積，使得在不增大磁場電流的情況下提供一個結構緊湊且高效能的發電機。在本實用新型中，如圖9所示，例如:轉子芯的磁極對數為6時，爪狀磁極根部的側邊與軛鐵部跟爪狀磁極根部相交面的側邊的夾角為15度，X1=X2時，S3/S2為0.9以上，定子鐵芯外徑Dtl為128mm,爪狀磁極部分的R3等於50.15mm。在本實用新型中，如圖10所示，例如:轉子芯的磁極對數為6時，爪狀磁極根部的側邊與軛鐵部跟爪狀磁極根部相交面的側邊的夾角小於15度時，S3/S2為0.9以上，定子鐵芯外徑為128mm,爪狀磁極部分的R3等於50.15mm。在本實用新型中，S3/S2的比率大於0.9，S3/S2的比率最好設為0.90 0.98，如
0.93、0.95、0.97,這樣爪狀磁極部分的磁通量密度可以在一個最佳的範圍內，同時，可以防止因S3過小而導致爪狀磁極部分的磁飽和，降低發電機的電力輸出。在本實用新型中，L1/L2的比率大於1，最好為1.10 1.40，如1.26，磁通量能夠直接從軛鐵部分流入定子鐵芯，並且不使定子鐵芯過長而加大發電機的重量，影響每單位重量的發電機電力輸出。圖10是圖8從轉子芯的圓柱部分方向看的放大視圖，所述爪狀磁極剖面積的單側縮小為a，通過a的改變來改變S3。上述爪狀磁極根部的側邊與軛鐵部跟爪狀磁極根部相交面的側邊的夾角不大於15度，最好為O。本實用新型實施例的優點通過實驗而得以證明。圖12表示S3/S2與合成磁阻R的關係和實驗結果，當S3/S2比率和L1/L2比率作為參數變化時，縱坐標表示合成磁阻R，橫坐標表示S3/S2比率。可以充分地看出，通過擴大S3，合成磁阻R會大幅減少。特別是，LI/L2為1.26時效果明顯。這表示，經過S3流入並且從爪狀磁極經過空隙流入定子的磁通量Φ1的爪狀磁極的磁阻極高，通過增加S3可有效地緩和此處的磁阻。如圖所示將S3/S2設為0.9以上，就能夠將合成磁阻R減少約5%以上。再者L1/L2為1.26時即S3/S2為1.0時，磁阻可減少約10%，因此能夠提供磁通量增大並且輸出高的交流發電機。在圖11中，縱坐標表示每單位重量的發電機電力輸出。實驗結果顯示，當S3/S2等於0.96時，每單位重量的發電機電力輸出和L1/L2比率之間的關係。在圖13中，縱坐標表示每單位重量的發電機電力輸出。實驗結果顯示，當L1/L2比率為1.26時，每單位重量的發電機電力輸出和S3/S2比率之間的關係。在圖14中，縱坐標表示每單位重量的發電機電力輸出。實驗結果顯示，當R2/R3等於0.53，每單位重量的發電機電力輸出和L1/L2比率之間的關係。在圖15中，縱坐標表示每單位重量的發電機電力輸出。實驗結果顯示，當L1/L2比率為1.26時，每單位重量的發電機電力輸出和R2/R3比率之間的關係。從圖11至圖15中充分說明，本實用新型選擇的參數合理，均能保證每單位重量的發電機電力輸出在31.5A/Kg以上。在本實用新型的實施例中，定子鐵芯外徑為128mm，爪狀磁極部分的R3等於50.15mm。即使當定子外徑為139mm、144mm,也可得到同樣好的結果。當爪狀磁極部分的R3設置在50_ 60_範圍內時，本實用新型實施例的參數設置範圍是有效的。當轉子芯的磁極對數等於其它值，例如7或8時，也可得到同樣好的結果。
權利要求1.一種車輛用交流發電機，具有:勵磁線圈、轉子芯和定子鐵芯；轉子芯，其具有倫德爾型鐵芯，該倫德爾型鐵芯具有卷裝該勵磁線圈的軛部，該軛部呈圓筒狀，從該軛部的軸方向位置向外周方向擴大的軛鐵部，與該軛鐵部連接並且形成為包圍所述勵磁線圈的爪狀磁極；定子鐵芯，在轉子芯爪狀磁極的外周對向配置，由層壓鐵芯和銜鐵線圈構成；其特徵在於:所述轉子芯的軛部外半徑設為R2，爪狀磁極部分的外半徑設為R3, R2/R3的比率為0.53 0.51 ;所述轉子芯軛鐵部的剖面設為S2，爪狀磁極的根部剖面設為S3，S 3/S2的比率為0.90 0.98，所述定子鐵芯的軸方向長度設為LI，轉子芯軛部的長度設為L2，L1/L2的比率大於I。
2.如權利要求1所述的車輛用交流發電機，其特徵在於:所述L1/L2的比率為1.10 1.40。
3.如權利要求2所述的車輛用交流發電機，其特徵在於:所述L1/L2的比率為1.26。
4.如權利要求1或2或3所述的車輛用交流發電機，其特徵在於:所述爪狀磁極根部的側邊與軛鐵部跟爪狀磁極根部相交面的側邊的夾角不大於15度。
5.如權利要求4所述的車輛用交流發電機，其特徵在於:所述夾角為O度。
專利摘要一種車輛用交流發電機，具有勵磁線圈、轉子芯和定子鐵芯；轉子芯，其具有倫德爾型鐵芯，該倫德爾型鐵芯具有卷裝該勵磁線圈的軛部，該軛部呈圓筒狀，從該軛部的軸方向位置向外周方向擴大的軛鐵部，與該軛鐵部連接並且形成為包圍所述勵磁線圈的爪狀磁極；定子鐵芯，在轉子芯爪狀磁極的外周對向配置，由層壓鐵芯和銜鐵線圈構成；所述轉子芯的軛部外半徑設為R2，爪狀磁極部分的外半徑設為R3，R2/R3的比率為0.53～0.51；所述轉子芯軛鐵部的剖面設為S2，爪狀磁極的根部剖面設為S3，S3/S2的比率為0.90～0.98，所述定子鐵芯的軸方向長度設為L1，轉子芯軛部的長度設為L2，L1/L2的比率大於1。
文檔編號H02K1/12GK203166720SQ20122071327
公開日2013年8月28日 申請日期2012年12月21日 優先權日2011年12月23日
發明者竺韻德, 王衛 申請人:寧波韻升股份有限公司, 寧波韻升汽車電機系統有限公司, 日興(寧波)電機有限公司