專利名稱：用于交通工具的單相多極磁力式發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于交通工具的單相多極磁力式發(fā)電機(jī)，更具體地是涉及這種類型的一種改進(jìn)的、緊湊的、高輸出和高效率的發(fā)電機(jī)。
許多類型的交通工具采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生用于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電能以及為相關(guān)交通工具的附件提供電能。通常，這些類型的發(fā)電機(jī)可采用相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵和圍繞電樞的線圈繞組。相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)可在繞組中引發(fā)電流，該電流被提取出并因其交流特性而經(jīng)整流用于驅(qū)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)和/或交通工具相關(guān)的直流電氣元件。通常，永久磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，而帶電樞繞組的部件固定，但它們之間的關(guān)系也可以是其它的類型。
關(guān)于這種類型的裝置，根據(jù)現(xiàn)代交通工具方面的實(shí)踐，對(duì)發(fā)電機(jī)的需求正日益上升。這樣，為了提供更大的電能輸出，需要增大發(fā)電機(jī)的尺寸，這因此也需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。在許多采用這種發(fā)電系統(tǒng)的交通工具應(yīng)用場(chǎng)合，交通工具本身相當(dāng)緊湊，諸如載人水運(yùn)工具或摩托車等。因此，發(fā)電機(jī)尺寸的增大并不合適。
另外，如果發(fā)電機(jī)的尺寸和質(zhì)量增加，驅(qū)動(dòng)它的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出同樣必須提高。這可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放的升高，并可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能因發(fā)電機(jī)所消耗的功率而不如人意。
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于提供這種類型的一種改進(jìn)的、緊湊的發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊而具有高效率和高輸出功率的改進(jìn)的發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)的輸出與永久磁鐵的一個(gè)磁極的磁化角特別相關(guān)，這將在下面限定。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)的性能因其非線性的正弦輸出而受該因素的顯著影響。
從以上描述可以清楚，永久磁鐵通常形成于一環(huán)形件上并可粘附固定于它，也可以通過將一未磁化的環(huán)形磁性材料粘接于轉(zhuǎn)子，然后對(duì)其進(jìn)行磁化，以提供必要的交替磁極以實(shí)現(xiàn)沿圓周方向隔開的磁極來形成。不主張進(jìn)行安裝后磁化。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在磁化角之間存在某種關(guān)系，一磁鐵相對(duì)于永久磁鐵的一個(gè)磁極的旋轉(zhuǎn)中心所占據(jù)的角度和發(fā)電機(jī)的輸出波所造成的失真在大小上取決于輸出波形內(nèi)所含的諧波分量。這對(duì)于三次諧波或更大的諧波分量來說尤為明顯。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，輸出波中的這種失真會(huì)增加熱量積累和降低發(fā)電機(jī)效率。
因此，按照本發(fā)明，發(fā)明人確定了最佳的磁電氣角率，從而以最低的功率損失、熱量生成和失真實(shí)現(xiàn)最大的功率輸出。
本發(fā)明適于實(shí)施于一旋轉(zhuǎn)機(jī)器中，該機(jī)器在圓周方向上以規(guī)則的間隔具有變化數(shù)目的永久磁鐵，并具有一可相對(duì)旋轉(zhuǎn)的相關(guān)元件，該元件具有多個(gè)電樞，圍繞電樞形成有線圈繞組。按照本發(fā)明，永久磁鐵的磁極的磁化角相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線而設(shè)定在120°到140°的電氣范圍內(nèi)。


圖1是按本發(fā)明一實(shí)施例而構(gòu)成的一旋轉(zhuǎn)電氣機(jī)器沿旋轉(zhuǎn)軸線剖開的剖視圖。
圖2是大致沿圖1的箭頭2方向觀察的視圖，表示電樞電樞鐵芯與永久磁鐵的關(guān)系。
圖3是表示永久磁鐵磁極的機(jī)械角、磁電氣角和磁鐵間電氣角以及輸出中的諧波變化之間的關(guān)系的圖表。
圖4是表示機(jī)器效率隨磁電氣角的實(shí)際變化的圖表。
首先參見圖1和2，標(biāo)號(hào)11總的表示按照本發(fā)明一實(shí)施例而構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機(jī)器。在所示的實(shí)施例中，機(jī)器11由一定子組件12和一轉(zhuǎn)子組件13構(gòu)成。在所示的實(shí)施例中，機(jī)器11是一發(fā)電機(jī)，但應(yīng)予理解，本發(fā)明可以用于其它類型的旋轉(zhuǎn)電氣機(jī)器和那些永久磁鐵支承于轉(zhuǎn)子和/或定子的機(jī)器。
電氣機(jī)器11尤其適于結(jié)合內(nèi)燃機(jī)一起使用，如果用作發(fā)電機(jī)，它可從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸14的旋轉(zhuǎn)提供電力輸出。標(biāo)號(hào)14表示一小位移發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，它延伸通過一部分發(fā)動(dòng)機(jī)本體，并且電氣機(jī)器11固定于它，下面將描述其固定方式。
轉(zhuǎn)子13由一輪轂部分15構(gòu)成，它具有一接納曲軸14一端的孔。曲軸14中形成有一鍵槽16，它接納一鍵17，該鍵與輪轂15的一內(nèi)孔18形成鍵連接，從而在它們之間提供無旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)系。
輪轂部分15通過多個(gè)沿圓周方向隔開的鉚釘19固定于一帶飛輪的環(huán)件21。該環(huán)件21形成有多個(gè)沿圓周方向隔開的磁鐵22，它們的形成方式將在下面描述，在所示的實(shí)施例中，包括6個(gè)磁鐵，它們具有相對(duì)設(shè)置和交替布置的磁極，從而提供總共12個(gè)磁極。磁鐵22由一分隔環(huán)24與帶飛輪的環(huán)件21的徑向延伸的內(nèi)壁23保持隔開的關(guān)系。如果需要的話，在帶飛輪的環(huán)件21的內(nèi)表面上與永久磁鐵22成圍繞關(guān)系可形成一保護(hù)涂層25，以為其提供保護(hù)。
輪轂部分15通過一單向離合器27連接有一起動(dòng)齒輪26，該離合器具有一通過螺紋緊固件29固定于輪轂部分15的支架28。一合適的電動(dòng)機(jī)(未示出)與該起動(dòng)齒輪26相連，用于通過轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸14而使相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。
定子組件12包括一層疊環(huán)，它具有許多齒，它們形成電樞磁極31。圍繞這些磁極31形成有各線圈繞組32，它們連接于一合適的外部電路用于提供電力輸出。
定子12由許多層疊板構(gòu)成，它們形成一系列部分沖壓內(nèi)側(cè)孔33和一系列部分沖壓外側(cè)孔34，后者形成于磁極齒31上。這些部分沖壓孔33和34形成凹孔和突起，它們彼此相互配合而使層壓物彼此對(duì)齊并在它們之間提供一機(jī)械連接。在各層壓物之間可形成諸如樹脂材料的絕緣片。另外，定子12，具體說是其形成于中心孔35周圍的輪轂部分，具有孔36用于接納螺紋緊固件(未示出)，這些螺紋緊固件固定定子而防止其相對(duì)于發(fā)電機(jī)殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，該殼體未示出，但它固定于相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱。
轉(zhuǎn)子磁鐵22由盤狀磁鐵材料(鐵氧體、鋁鎳鈷合金等)形成，它們固定粘接于飛輪件21的內(nèi)圓周面上。然后，用一磁化機(jī)(未示出)以30°(360°/12)的角度間隔對(duì)該環(huán)進(jìn)行磁化，使0°＜θ＜30°，其中θ是磁化角(機(jī)械角)，如圖2所示。相鄰磁化部分的極性相反。或者，磁化角θ=30°的磁鐵可以以30°的角度間隔粘接。
磁鐵22的一個(gè)磁極的磁鐵電氣角Θ和輸出波形的諧波分量的大小已通過計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了分析，其結(jié)果示于圖3中。它表示第3、第5和第7諧波的諧波分量A1、A5、A7的最大值(振幅)。這是通過對(duì)輸出波形的傅立葉分析而得到的。
圖3表示基本分量A1，但它在電氣角Θ中具有一個(gè)360°的周期，因而在此不需考慮。偶次諧波分量，諸如第2、第4和第8諧波不需要考慮，這是因?yàn)檫@些諧波的正、負(fù)分量在單相輸出中相抵銷。
這里所使用的磁鐵電氣角Θ與一給定磁極的極性角θ的關(guān)系如下。假設(shè)電動(dòng)勢(shì)的頻率為f；如果具有2p磁極的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，則產(chǎn)生一個(gè)p循環(huán)的交流電壓。一磁極走過兩個(gè)磁極節(jié)距的時(shí)間長(zhǎng)度等于電動(dòng)勢(shì)(輸出電壓)完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間長(zhǎng)度。
也就是說，與兩個(gè)磁極節(jié)距相應(yīng)的2π/p的機(jī)械角對(duì)應(yīng)于2π的電氣角(磁鐵電氣角)。因此，pθ=Θ。圖3中的“磁鐵間電氣角”是隨著永久磁鐵22的機(jī)械角θ變小，未磁化部分或相鄰永久磁鐵22之間所產(chǎn)生的間隙的角度，它表示為(180-Θ)/2。
通過分析，比較第3、第5和第7諧波分量的振幅(波長(zhǎng))；最大分量確定為諧波的最大值A(chǔ)max。而且，取電氣角Θ=180°處的諧波的最大值A(chǔ)max(0.424)為基準(zhǔn)，確定最大值與基準(zhǔn)0.424的比率B(B=Amax/0.424)。
由此可見，電氣角θ的范圍Θopt是比率B小于約0.5的最佳值。也就是說，已證實(shí)，如果磁鐵電氣角Θ設(shè)定在該范圍Θopt內(nèi)，則因諧波分量而造成的輸出波形的失真較小，波形較為平滑，因而發(fā)電機(jī)的效率得以提高。
從圖3可以看出，對(duì)比率B低于0.5而言，電氣角θ的范圍Θopt最好是122°＜Θ＜140°。然而，考慮到對(duì)于120°以下的電氣角Θ，比率急劇增大，因此認(rèn)為磁鐵電氣角的范圍Θopt包括直至Θ=120°的電氣角是合理的，該角度是急劇增大剛開始之前的角度。
因此，較佳的電氣角范圍Θopt可以擴(kuò)大為120°＜Θ＜140°。結(jié)果，取磁鐵電氣角為180°處的諧波分量最大值為基準(zhǔn)，在120-140°的磁鐵電氣角范圍，磁鐵電氣角為最佳值，其中該最大值約為基準(zhǔn)的50％或更小，如圖4所示，該圖示出了實(shí)際測(cè)量值。
因此，應(yīng)該理解，本發(fā)明所描述的實(shí)施例提供了一種非常緊湊而又高輸出、高效率的旋轉(zhuǎn)電氣機(jī)器，它例如可以用作與小位移或中等位移內(nèi)燃機(jī)相連的發(fā)電機(jī)。當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本發(fā)明也可以用于其它類型的電氣機(jī)器，該范圍由所附權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1．一種旋轉(zhuǎn)機(jī)器，它在圓周方向上以規(guī)則的間隔具有變化數(shù)目的多個(gè)永久磁鐵，并具有一可相對(duì)旋轉(zhuǎn)的相關(guān)元件，該元件具有多個(gè)電樞，圍繞電樞形成有線圈繞組，永久磁鐵的磁極的磁鐵電氣角相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線而設(shè)定在120°到140°的電氣范圍內(nèi)。
2．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其特征在于，該磁鐵電氣角等于一磁極走過兩個(gè)磁極節(jié)距的時(shí)間長(zhǎng)度，該時(shí)間長(zhǎng)度等于電動(dòng)勢(shì)(電壓)完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間長(zhǎng)度。
3．如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其特征在于，該機(jī)器包括一發(fā)電機(jī)。
4．如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其特征在于，永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，線圈繞組固定而不旋轉(zhuǎn)。
5．如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)器，其特征在于，磁鐵電氣角等于一磁極走過兩個(gè)磁極節(jié)距的時(shí)間長(zhǎng)度，該時(shí)間長(zhǎng)度等于電動(dòng)勢(shì)(輸出電壓)完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間長(zhǎng)度。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)電氣機(jī)器,諸如一發(fā)電機(jī),它能夠以緊湊的結(jié)構(gòu)提供較高的效率和輸出。這通過使多個(gè)具有相對(duì)極性的隔開的永久磁鐵與電樞線圈相配合來實(shí)現(xiàn)。永久磁鐵以在120°到140°范圍內(nèi)的磁鐵電氣角相對(duì)于相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線而設(shè)置成沿圓周方向隔開。
文檔編號(hào)H02K21/22GK1315776SQ0110477
公開日2001年10月3日 申請(qǐng)日期2001年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月22日
發(fā)明者安間達(dá)也, 高橋秀明 申請(qǐng)人:森山工業(yè)株式會(huì)社