專利名稱：緊湊的大功率交流發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的機(jī)械的電壓和電流控 制系統(tǒng)，例如無刷交流發(fā)電機(jī)，尤其涉及一種用于緊湊的大功率永磁 交流發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，例如適合于車用的緊湊的大功率永磁交流發(fā) 電機(jī)。
背景技術(shù)：
交流發(fā)電機(jī)一般包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，并布置成與 靜止的定子同心。轉(zhuǎn)子通常布置在定子內(nèi)。然而可替代地，定子可以 同心地布置在轉(zhuǎn)子內(nèi)。外部能源，如電動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)，通常直接地或 者通過中間系統(tǒng)如傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)元件。定子和轉(zhuǎn)子都具有一系列磁 極。轉(zhuǎn)子或定子產(chǎn)生磁場，該磁場與另一結(jié)構(gòu)的磁極上的繞組相互作 用。當(dāng)磁場切割繞組時(shí)產(chǎn)生電場，該電場被提供給合適的負(fù)載。感應(yīng) 的電場(其一般稱為電壓源)通?？蓱?yīng)用于整流器，有時(shí)可被調(diào)節(jié)， 并作為直流輸出電源。感應(yīng)的電流一般可應(yīng)用于整流器，有時(shí)可被調(diào) 節(jié)，并作為直流輸出電源。在一些情況中，將調(diào)節(jié)的直流輸出信號施 加給直流-交流逆變器，以提供交流輸出。
傳統(tǒng)上，機(jī)動(dòng)車輛中采用的交流發(fā)電機(jī)通常包括安裝在發(fā)動(dòng)機(jī) 外部上的殼；布置在殼內(nèi)的具有三相繞組的定子；在定子內(nèi)可旋轉(zhuǎn)地 支撐殼內(nèi)的皮帶驅(qū)動(dòng)的爪極式(例如Lundell)轉(zhuǎn)子。然而，為了增大功率輸出，必須顯著地增大傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)的尺寸。因此，車輛內(nèi)
的空間限制容易使這種交流發(fā)電機(jī)難以在高輸出(如5KW )應(yīng)用中使 用，例如為了給空調(diào)設(shè)備、制冷設(shè)備或通訊設(shè)備提供電力。
此外，承載繞組的爪極式轉(zhuǎn)子相對較重(通常占交流發(fā)電機(jī)全部 重量的多達(dá)四分之三)，并產(chǎn)生很大的慣性。實(shí)際上，每當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速 時(shí)這種慣性都會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)造成負(fù)載。這容易降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，導(dǎo)致 額外的燃料消耗。此外，這種慣性在諸如電動(dòng)車或混合動(dòng)力車輛的應(yīng) 用中存在問題?；旌蟿?dòng)力車輛利用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來以高于預(yù)定閥值如 30Kph (通常相應(yīng)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率最高的RPM范圍)的速度推 進(jìn)車輛。類似地，在所謂的"輕度混合動(dòng)力車輛，，中，利用起動(dòng)器-發(fā)電 機(jī)來在駕駛員壓下油門踏板時(shí)提供推進(jìn)力的初始爆發(fā)，從而當(dāng)車輛在 交通中停止時(shí)便于關(guān)閉車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，以節(jié)省燃料并削減排放。這種輕 度混合動(dòng)力系統(tǒng)通常是預(yù)期使用高電壓(例如42伏特)的電力系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)中的交流發(fā)電機(jī)必須能使電池再充電到足夠的水平，以便驅(qū) 動(dòng)起動(dòng)器-發(fā)電機(jī)，從而在連續(xù)的停止之間特別是在停停走走的交通中 提供推進(jìn)力的初始爆發(fā)。因而，需要相對大功率的低慣性的交流發(fā)電 機(jī)。
一般地，需要額外的電功率來給車輛中的控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)
和電器提供電力。對于用于娛樂的、工業(yè)運(yùn)輸應(yīng)用如冷藏、建筑應(yīng)用 以及軍事應(yīng)用的車輛來說特別是這樣。
例如，機(jī)動(dòng)車輛領(lǐng)域中的趨勢是利用智能的電控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 而不是利用機(jī)械的或液壓控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，來減小車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上的動(dòng) 力負(fù)載和增大燃料經(jīng)濟(jì)性。這種系統(tǒng)例如可以與轉(zhuǎn)向伺服機(jī)構(gòu)(其通 常僅在需要轉(zhuǎn)向糾正時(shí)才起作用)、減震器(使用反饋來調(diào)節(jié)減震器對 道路和速度狀況的剛度)以及空調(diào)(以保持恒定溫度所需的最小速度 運(yùn)行壓縮機(jī))相結(jié)合地使用。這種電控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用容易增大 對車輛的電力系統(tǒng)的要求。
類似地，期望的是移動(dòng)式制冷系統(tǒng)通過電力驅(qū)動(dòng)。例如，以可變 的速度(與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)無關(guān))驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)可提高效率。此外，利用電驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，連接各個(gè)元件的軟管可以用類似于家用冰 箱或空調(diào)器的電驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)來代替，所述各個(gè)元件例如是壓縮機(jī)(在 發(fā)動(dòng)機(jī)上)、冷凝器(布置成暴露在空氣中)以及蒸發(fā)單元(布置在冷 藏室中)。因此，期望的是在這樣的應(yīng)用中的車輛電力系統(tǒng)應(yīng)該能夠?yàn)?電力驅(qū)動(dòng)的單元提供必需的電力水平。
還特別需要一種"可移除和更換"的大功率交流發(fā)電機(jī)，以便改造 現(xiàn)有的車輛。通常，在車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)只有有限的空間來容納交 流發(fā)電機(jī)。除非更換的交流發(fā)電機(jī)適合于在該可利用的空間內(nèi)，否則， 如果可能的安裝非常復(fù)雜，通常需要移除一些主要部件如散熱器、保 險(xiǎn)杠等等以及安裝額外的支架、傳動(dòng)帶和硬件。因此，期望的是更換
的交流發(fā)電機(jī)適合于在所提供的原始空間內(nèi)，并與原始硬件接口 。
一般地，永/磁交流發(fā)電機(jī)是眾所周知的。這種交流發(fā)電機(jī)一使用永 磁體來產(chǎn)生必需的磁場。永磁發(fā)電機(jī)傾向于比傳統(tǒng)纏繞的場發(fā)電機(jī)輕
得多、小得多。在以下專利中描述了永磁交流發(fā)電機(jī)的實(shí)例1997年 4月29日授予給Scott等的美國專利5,625,276; 1998年1月6日授予 給Scott等的美國專利5，705，917; 1999年3月23日授予給Scott等的 美國專利5,886,504; 1999年7月27日授予給Scott等的美國專利 5，929，611;2000年3月7日授予給Scott等的美國專利6,034,511; 2002 年8月27日授予給Scott等的美國專利6,441,522。
特別地，通過采用"外部，，永磁轉(zhuǎn)子和"內(nèi)部，，定子可以實(shí)現(xiàn)輕的緊 湊的永磁發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子包括中空的圓柱形殼，高能永磁體布置在該圓 柱形殼的內(nèi)表面上。定子同心地布置在轉(zhuǎn)子殼內(nèi)，并且適當(dāng)?shù)匕ㄜ?磁鐵芯和導(dǎo)電繞組。該鐵芯一般為圓柱形，其具有在軸向上成鋸齒形 的外周表面，即具有預(yù)定數(shù)量的等間隔的齒和槽。導(dǎo)電繞組(由合適 絕緣的導(dǎo)電體構(gòu)成，如涂有清漆的電動(dòng)機(jī)銅線)通過相應(yīng)槽沿4失芯的 側(cè)面向外圍繞預(yù)定數(shù)量的齒纏繞，然后再通過另一個(gè)槽向回纏繞。這 里將繞組沿鐵芯的側(cè)面在成鋸齒形的槽外側(cè)延伸的部分稱為端匝。轉(zhuǎn) 子圍繞定子的旋轉(zhuǎn)從轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生磁通量，以和定子繞組相互作用并 在其中感應(yīng)產(chǎn)生電流。例如在上述的1998年1月6日授予給Scott等的美國專利5，705，917和1999年7月27日授予給Scott等的美國專利 5,929,611中描述了這種交流發(fā)電機(jī)的示例。
由永磁發(fā)電機(jī)供給的電力根據(jù)轉(zhuǎn)子的速度顯著地變化。在許多應(yīng) 用中，例如由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)速度的變化或者負(fù)載特性的改變，轉(zhuǎn)子速 度的變化是普遍的。因此，通常采用電子控制系統(tǒng)。在上述的1997 年4月29日授予給Scott等的美國專利5，625，276中描述了永磁交流 發(fā)電機(jī)和用于其的控制系統(tǒng)的實(shí)例。在2000年1月25日授予給 Anderson等的美國專利6,018,200中描述了其他控制系統(tǒng)的實(shí)例。在 2004年6月6日提交的、名稱為"用于永磁交流發(fā)電機(jī)的控制器" ("Controller for Permanent Magnet Alternator")的、Quazi等共同所 有的共同未決的美國專利申請No.l0/860，393中以及在2006年2月2 日提交的、名稱為"用于交流發(fā)電機(jī)的控制器"("Controller for AC Generator")的、Faber man等(包括本發(fā)明人)共同所有的共同未 決的美國專利申請No. 11/347,777中描述了控制系統(tǒng)的其他實(shí)例。在此 將上述共同所有的申請引入作為參考，就如其在此被全文地描述一樣。
適應(yīng)寬范圍的轉(zhuǎn)子速度的需要在機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用中是特別迫切的。 例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)用于使卡車的速度減小時(shí)，通常大型卡車柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 會(huì)從怠速的600RPM運(yùn)轉(zhuǎn)到高速公路行駛速度的2600RPM，偶爾會(huì) 達(dá)到3000RPM。這樣，交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的RPM變化為5:1。輕負(fù)載 柴油機(jī)在稍;微更寬的范圍上運(yùn)轉(zhuǎn)，例如從600到4000RPM。和汽油車 輛發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用的交流發(fā)電機(jī)通常必須適應(yīng)更寬范圍的RPM，例如 從600至6500RPM。此外，交流發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)負(fù)栽的變化，即零負(fù) 載到全負(fù)載。這樣，和汽油車輛發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用的永磁交流發(fā)電機(jī)的 輸出電壓會(huì)經(jīng)歷12: l的變化。因此，如果需要傳統(tǒng)的永磁交流發(fā)電 機(jī)在具有給定負(fù)栽的怠速時(shí)提供運(yùn)轉(zhuǎn)電壓(例如12伏特)，則在具有 該負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)滿RPM時(shí)其將提供多倍的運(yùn)轉(zhuǎn)電壓，例如上述運(yùn)轉(zhuǎn) 電壓的10倍，如120伏特。在怠速電壓為120伏特的場合，例如用于 電驅(qū)動(dòng)空調(diào)或通訊設(shè)備，則在發(fā)動(dòng)才幾滿RPM時(shí)的電壓例如將是1200 伏特。這種電壓水平很難處理，并且實(shí)際上是很危險(xiǎn)的。此外，這種電壓和電流的極端變化需要更加昂貴的元件；用于在高發(fā)動(dòng)機(jī)RPM 時(shí)(例如高速公路行駛速度)下產(chǎn)生的高電壓和電流的元件比用于較 為中等電壓的元件昂貴得多。
傳統(tǒng)的高電流機(jī)動(dòng)車輛交流發(fā)電機(jī)的定子構(gòu)造成具有有效串聯(lián)連 接的具有大橫截面積的多個(gè)導(dǎo)體。更加特別地，傳統(tǒng)上是采用線圏組， 每個(gè)相位(A、 B和C相位)與一個(gè)組相應(yīng)。各個(gè)相位線圏組(A、 B 和C)在一個(gè)端部以"Y"或"A (Delta)，，的方式連接起在一起(端接 的)。線圏組的相對端部按照相位布置，使得每個(gè)相位隔離，然后端接 以便集中并交流發(fā)電機(jī)引出到電壓控制系統(tǒng)。在引出的端接端，相似 相位的線圏端部成組地焊接到絕緣的電機(jī)引線。然后可將這些電機(jī)引 線成組地焊接到更大規(guī)格的引線，以成為對于每個(gè)相位A、 B和C的 三個(gè)分離導(dǎo)體。然后通過將導(dǎo)體捆綁在定子的端匝上來將引線固定在 定子上。將導(dǎo)體捆綁在端匝上減小了銅暴露在流過交流發(fā)電機(jī)的冷卻 流體中的量，從而實(shí)際上作為絕緣套并且妨礙了端匝和引線的冷卻。 這種纏繞方法存在幾個(gè)額外的問題。例如由于每個(gè)磁極相位線圏的 匝數(shù)少(在一些情況下僅有一匝)，因此很難或者不可能通過改變磁極 相位線圏的匝數(shù)來使設(shè)計(jì)輸出電壓發(fā)生微小的變化；大的導(dǎo)體橫截面 積使定子難以纏繞；以及通常線圏之間的短路將燒壞整個(gè)定子，使交 流發(fā)電機(jī)停機(jī)，從而可能損壞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)過載。
一般地，已知的是這樣的永磁發(fā)電機(jī)，其包括有預(yù)定數(shù)量的各獨(dú) 立組的繞組，它們通過槽圍繞預(yù)定數(shù)量的齒纏繞，其中由每組繞組提 供的功率相對地不受其他組的狀態(tài)的影響。例如，在1999年5月4 日授予給Scott等的美國專利5,900,722中描述了這種交流發(fā)電機(jī)和用 于其的控制器。在專利US5，900，722描述的交流發(fā)電機(jī)中，繞組的組 數(shù)等于磁極數(shù)量的整分?jǐn)?shù)，控制器電路選擇性地完成到達(dá)各獨(dú)立組繞 組的電流通路，從而實(shí)現(xiàn)期望的輸出。
然而，仍然需要一種緊湊的大功率交流發(fā)電機(jī)，其中通過改變磁 極相位線圏的匝數(shù)可以實(shí)現(xiàn)期望的輸出電壓，該磁極相位線圏相對容 易纏繞，并使短路的后果最小，同時(shí)有利于冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，定子繞組用預(yù)定數(shù)量的磁極相位線圏纏 繞，優(yōu)選地等于磁極的數(shù)量。每個(gè)磁極相位線圏纏繞足夠的臣數(shù)，以 產(chǎn)生所需的交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓和等于1除以磁極數(shù)量的輸出電流 分?jǐn)?shù)。然后將這些單獨(dú)的磁極相位線圏并聯(lián)連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，相應(yīng)于每個(gè)輸出相位的各個(gè)導(dǎo)電相位 環(huán)安裝在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)，每個(gè)線圏對應(yīng)于與導(dǎo)電相位環(huán)電連接的相應(yīng) 相位，從而促進(jìn)冷卻和分組以及將輸出相位傳遞給控制系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，導(dǎo)電相位環(huán)由非導(dǎo)電的支撐結(jié)構(gòu)保持 定位。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，導(dǎo)電相位環(huán)布置成通過暴露在冷卻流 體如空氣中來提供有效的冷卻，所述冷卻流體流過導(dǎo)電相位環(huán)和端匝。


下文將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，其中相同的標(biāo)記表示相同的元件(除 非另外指明)。
圖1是用于機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)的方框圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的交流發(fā)電機(jī)的外部的側(cè)視圖。
圖2B是沿圖2A的交流發(fā)電機(jī)中的A-A的剖面圖。
圖2C是沿圖2A的交流發(fā)電機(jī)中的B-B的簡化剖面圖，其示出
了導(dǎo)電相位環(huán)在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)的相對布置。
圖2D是圖2A的交流發(fā)電機(jī)中的端子的簡化剖面圖。
圖2E是示出了導(dǎo)電相位環(huán)的可替換實(shí)施例的視圖。
圖2F是圖2A的交流發(fā)電機(jī)的定子鐵芯以及導(dǎo)電相位環(huán)的簡化透
視圖，其示出了導(dǎo)電相位環(huán)和各組繞組(省略了繞組端匝)之間的連接。
圖2G是采用根據(jù)本發(fā)明相位環(huán)的交流發(fā)電機(jī)的布線方框圖，該 交流發(fā)電機(jī)適于產(chǎn)生DC電壓輸出。 (圖2A-2G共同地稱為圖2)。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的可替換實(shí)施例的交流發(fā)電機(jī)的
10外部的側(cè)浮見圖。
圖3B是沿圖3A的交流發(fā)電機(jī)中的C-C的剖面圖。
圖3C是圖3A的交流發(fā)電機(jī)的定子鐵芯以及分段導(dǎo)電相位環(huán)的簡
化透視圖，其示出了分段的導(dǎo)電相位環(huán)和各組繞組(省略了繞組端匪)
之間的連接。
圖3D是根據(jù)本發(fā)明利用分段導(dǎo)電相位環(huán)的交流發(fā)電機(jī)的布線的 示意性方框圖，該交流發(fā)電機(jī)適于產(chǎn)生DC電壓輸出。(圖3A-3D共 同地稱為圖3)。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的可替換實(shí)施例的交流發(fā)電機(jī)的 外部的頂4見圖。
圖4B是沿圖4A的交流發(fā)電機(jī)中的D-D的剖面圖。
圖4C是圖3A的交流發(fā)電機(jī)的定子鐵芯以及多段式導(dǎo)電相位環(huán)的 簡化透視圖，其示出了多段式導(dǎo)電相位環(huán)和各組繞組(省略了繞組端 匝)之間的連接。
圖4D是根據(jù)本發(fā)明利用多段式導(dǎo)電相位環(huán)的交流發(fā)電機(jī)的布線 的示意性方框圖，該交流發(fā)電機(jī)適于產(chǎn)生DC電壓輸出。(圖4A-4D 共同地稱為圖4)。
圖5是示意性的布線方框圖，其示出了在本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例中 使用的定子的三相磁極組的三個(gè)單獨(dú)繞組。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的功率轉(zhuǎn)換裝置如交流發(fā) 電機(jī)102適當(dāng)?shù)嘏c整流控制系統(tǒng)100和機(jī)械能源(例如驅(qū)動(dòng)器)104 如發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)、負(fù)栽106如電動(dòng)機(jī)以及如果需要的話在能量存儲(chǔ) 裝置108中如電池、電容器或飛輪相配合。
整流控制系統(tǒng)可以是適合于將來自交流發(fā)電機(jī)102的交流信號整 流也就是將其變換成直流信號和以預(yù)定的電平如28V調(diào)節(jié)該信號電壓 的任何系統(tǒng)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，該系統(tǒng)100包括控制器110和切換 橋接器112，例如在2006年2月2日提交的、名稱為"用于交流發(fā)電 才幾的控制器，，("Controller for AC generator")的、Faber man等(包括本發(fā)明人)共同所有的美國專利申請No.11/347,777中所描述的部 件。如果期望，還可以提供逆變器(有時(shí)歸類為包括一部分負(fù)載106)， 以便以不變的預(yù)定頻率和振幅(例如60Hz， 120V)產(chǎn)生交流信號。
一般地，交流發(fā)電機(jī)102響應(yīng)來自能源104的機(jī)械輸入產(chǎn)生交流 功率。交流發(fā)電機(jī)102優(yōu)選提供多相(例如三相、六相等等)交流輸 出信號，例如相位A(118)、相位B(120)、和相位C(122)。通常 這些輸出信號未被調(diào)節(jié)，其可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速RPM (能源104)顯 著地變化。
優(yōu)選地通過輸入保險(xiǎn)絲128，將來自交流發(fā)電機(jī)102的AC相位 信號施加給系統(tǒng)100。系統(tǒng)IOO對來自交流發(fā)電才幾102的交流信號進(jìn) 行整流，即將其變換成直流信號，和以預(yù)定的電平例如28伏特調(diào)節(jié)該 信號的電壓。在優(yōu)選的實(shí)施例中，切換橋接器112響應(yīng)來自控制器110 的控制信號選擇性地在來自交流發(fā)電機(jī)102的交流信號的各個(gè)相位和 負(fù)栽106之間提供傳導(dǎo)通路。在2006年2月2日提交的、Faberman 等(包括本發(fā)明人)共同所有的共同未決的美國專利申請 No.11/347，777中示出了示例性的切換橋接器112?？刂破?10選擇性 地產(chǎn)生控制信號給切換橋接器112，以便以預(yù)定的電壓產(chǎn)生調(diào)節(jié)的輸 出信號?？刂破?10在本地在輸入114處或者遠(yuǎn)程地在輸入140處合 適地對調(diào)節(jié)的輸出取樣，并且調(diào)整給橋接器112的信號，以便保持合 適的輸出。此外，在輸入116處檢測輸出電流，以便進(jìn)一步修改給橋 接器112的控制信號。
然后，合適地通過輸出保險(xiǎn)絲136，將調(diào)節(jié)的直流信號電壓調(diào)節(jié) 輸出(VRO)施加給負(fù)載106和能量存儲(chǔ)裝置108。負(fù)載106可以是 使用功率的任何裝置，例如燈、電動(dòng)機(jī)、加熱器、電氣設(shè)備、功率變 換器如逆變器或直流-直流轉(zhuǎn)換器。能量存儲(chǔ)裝置108對控制系統(tǒng)110 的輸出進(jìn)行濾波或平滑(盡管在各個(gè)實(shí)施例中，控制器110本身可以 包括或者以另外的方式提供充分的濾波)。
如果期望，其他輸出150和160可以由系統(tǒng)IOO提供。此外，可 以提供合適的消弧電路142以用于系統(tǒng)保護(hù)。優(yōu)選地，交流發(fā)電機(jī)102通常是在2004年7月12日提交的、名 稱為"緊湊的大功率交流發(fā)電機(jī)，，("Compact High Power Alternator") 的、Charles Y. Lafontaine和Harold C. Scott共同所有的共同未決的 美國專利申請No.l0/889，980中所描述的類型的交流發(fā)電機(jī)，但是其對 于每一個(gè)磁極包括相應(yīng)組的繞組(包括至少一個(gè)相應(yīng)于每個(gè)相位的繞 組)，相應(yīng)于給定相位的所有繞組并聯(lián)連接。在此將上述的Lafontaine 等的申請引入作為參考，就如其在此被全文地描述一樣。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，相應(yīng)于同 一相位的線圏之間的并聯(lián)連接 可通過相應(yīng)的導(dǎo)電相位環(huán)138實(shí)現(xiàn)，該并聯(lián)連接包括布置在導(dǎo)電相位 環(huán)138和交流發(fā)電機(jī)的輸出端子262之間的熔斷絲124。每個(gè)單獨(dú)線 圏的輸出由各自的導(dǎo)電相位環(huán)138收集，各導(dǎo)電相位環(huán)138與其各自 的輸出端子126連接。
隨著交流發(fā)電機(jī)102中的總磁極數(shù)增多，單獨(dú)線圏的數(shù)量也增多。 傳統(tǒng)的集中線圏的方法包括將電機(jī)電線焊接到通常絕緣的電機(jī)引線 上。隨著交流發(fā)電機(jī)的額定輸出增大，也需要相應(yīng)地增大電機(jī)引線的 負(fù)栽承栽能力。通常，通過增大電線的累積規(guī)格(cumulative gauge), 即或者通過增大單個(gè)導(dǎo)線的規(guī)格或者通過使用并聯(lián)的多個(gè)電線，可以 滿足在電機(jī)引線上增大的負(fù)栽要求。其凈效果是電機(jī)引線的橫截面積 越來越大。當(dāng)考慮到線圏及其各自端匝的總數(shù)量和導(dǎo)線及其相應(yīng)的絕 緣時(shí)，這樣所產(chǎn)生的具有結(jié)合在一起的導(dǎo)體和電機(jī)引線的定子組件使 端匝絕緣，這對冷卻不利。這樣所產(chǎn)生的組件還限制了在端匝上唯一 可用的冷卻劑流(例如空氣流)，進(jìn)一步降低了冷卻。
這樣，就需要一種緊湊的大功率的交流發(fā)電機(jī)，其中通過改變相 對容易纏繞的磁極相位線圏的匝數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)期望的輸出電壓，并使 短路的后果最小，同時(shí)有利于冷卻。根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，這可以 通過利用預(yù)定數(shù)量的磁極相位線圏實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選地該預(yù)定數(shù)量等于磁極 的數(shù)量，同時(shí)磁極相位線圏纏繞有足以產(chǎn)生所需交流發(fā)電機(jī)輸出電壓 的(相對小直徑線的)的匝，并且輸出電流分?jǐn)?shù)等于1除以磁極的數(shù) 量，然后將這些單獨(dú)的磁極線圏并聯(lián)連接，優(yōu)選地利用導(dǎo)電相位環(huán)(集流環(huán))138。使用導(dǎo)電相位環(huán)138不僅大大簡化了交流發(fā)電機(jī)102的組 裝，而且還有利于冷卻繞組。
更加特別地，交流發(fā)電機(jī)102優(yōu)選地包括軸202，其優(yōu)選包括 錐形的突出部分204和螺紋部分206;轉(zhuǎn)子208;定子210;前端板212; 前軸承214;止動(dòng)螺母216;后端板218;后軸保持環(huán)220;后軸承222; 后止動(dòng)螺母224;外殼226和各自的系桿(tie rod)(未示出)。轉(zhuǎn)子 208安裝在軸202上，以便和軸一起旋轉(zhuǎn)。定子210緊密地容納在轉(zhuǎn) 子208內(nèi)，與轉(zhuǎn)子208間隔很小的氣隙228。前端板212、前軸承214、 后軸承222、后端板218、外殼226和系桿配合作為支撐組件，以使軸 202、轉(zhuǎn)子208和定子210保持對齊。軸202由軸承214和222保持， 上述軸承分別安裝在前端板212和后端板218上，并使軸202可旋轉(zhuǎn) 地保持和對齊，該軸與前后端板同心且垂直。轉(zhuǎn)子208安裝成在軸202 上旋轉(zhuǎn)，其通過與錐形的軸部分204相配合進(jìn)行強(qiáng)制定位。后端板218 上安裝和定位定子210，使得其設(shè)置在轉(zhuǎn)子208內(nèi)，該定子合適地與 軸202和轉(zhuǎn)子112對齊。外殼226具有垂直于其軸線的端面(優(yōu)選為 圓柱形)，并布置在前端板212和后端板218之間。系桿使端板218 和212壓靠在外殼226上，從而使各元件放正和對齊。
在典型的汽車交流發(fā)電機(jī)應(yīng)用中，皮帶輪230安裝在軸202的端 部上。來自發(fā)動(dòng)機(jī)(例如104，在圖2中未示出)的功率通過合適的 皮帶驅(qū)動(dòng)器(未示出)傳遞給皮帶輪230，并且因此傳遞給軸202。軸 202使轉(zhuǎn)子208圍繞定子210旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子208產(chǎn)生磁場，該磁場與定 子210上的繞組相互作用。當(dāng)磁場切割繞組時(shí)，產(chǎn)生電流，該電流4皮 提供給合適的負(fù)栽。
轉(zhuǎn)子208優(yōu)選包括端蓋232、圓柱形殼234和預(yù)定數(shù)量(例如16 對)的可交替磁極的永磁體236，該永磁體布置在殼234的內(nèi)部側(cè)壁 中。轉(zhuǎn)子端蓋232大體上合適地敞開，其包括外周部分238、相應(yīng)的 橫臂(未示出)和中心轂240,以便給軸202提供連接。提供穿過端 蓋234的相應(yīng)的冷卻劑(例如空氣)通道242，其由與橫臂(未示出) 相鄰的外周部分238以及中心轂240限定。定子210適當(dāng)?shù)匕ㄨF芯244和導(dǎo)電繞組(示意性地示出)280。 鐵芯244適當(dāng)?shù)匕ㄜ洿挪牧系谋∑寞B合堆疊，如非定向的、低耗 損的(無鉛的)鋼，這些薄片被切割或沖壓成期望的形狀，然后對齊 和接合。鐵芯244通常為圓柱形，其具有在軸向上成鋸齒形的外周側(cè) 表面，也就是說，包括預(yù)定數(shù)量的齒和槽。鐵芯244優(yōu)選大體上為敞 開的，具有中心孔，該鐵芯適當(dāng)?shù)匕ň哂休S向通孔的橫臂，以便易 于安裝到后端板218上。
前端板212適當(dāng)?shù)赝ǔ閳A柱形，包括居中布置轂246，該轂 包括用于定位前軸承214的同軸的孔；外周部分，其包括與中心孔相 隔預(yù)定的徑向距離布置并且以相同角距離分布的各螺紋孔(未示出)， 用于容納系桿(未示出)；以及相應(yīng)的(例如4個(gè))將外周部分248 與轂246連接的橫臂(未示出)，這些橫臂限定了各個(gè)冷卻劑(例如空 氣)通道250。
后端板218支撐和定位后軸承222，并安裝和定位定子鐵芯244。 后端板218適當(dāng)?shù)匕A梯式中心轂252,該轂具有向前減小直徑的 部分254和穿過轂的中心孔256，并且該后端^反通常為圓柱形，優(yōu)選 地具有與前端板212相同的外徑，并通過相應(yīng)的橫臂(未示出)連接 到轂252。后端板218還適當(dāng)?shù)匕ㄏ鄳?yīng)的冷卻劑(例如空氣)通道 258，該通道由相鄰的橫臂(未示出)、外部部分260和轂252限定。
來自定子繞組280的輸出由相位環(huán)138集中，并在相應(yīng)的輸出端 子262提供。更加特別地，輸出端子262 (每個(gè)相位一個(gè)端子)適當(dāng) 地布置在后端板218中。端子262通過熔斷絲124適當(dāng)?shù)仉娺B接到相 應(yīng)的導(dǎo)電相位環(huán)(集流環(huán))138。輸出端子262和熔斷絲124圍繞導(dǎo)電 相位環(huán)138徑向地定位。各個(gè)相位環(huán)138通過例如導(dǎo)體276纟皮例如電 連接到具有相應(yīng)相位的每個(gè)單獨(dú)線圏來集中每個(gè)單獨(dú)線圏。各個(gè)單獨(dú) 導(dǎo)電電纜(例如圖2G中的294 )連接到端子264，以便將相位輸出傳 遞給控制系統(tǒng)100。
導(dǎo)電相位環(huán)138由合適的導(dǎo)電材料制成，例如電鍍的銅。相位環(huán) 138適當(dāng)?shù)匚幢唤^緣或者最低限度地絕緣(例如用清漆)以有利于冷卻，并且充分地堅(jiān)硬或剛性，從而一旦被安裝和受到環(huán)境力/加速度時(shí) 易于彼此隔離。導(dǎo)電相位環(huán)可由線材坯料制成或者由合適材料的薄片
沖壓而成。在圖2的實(shí)施例中，每個(gè)導(dǎo)電相位環(huán)138都是連續(xù)的，例 如單件式的線材坯料，其端部例如通過軟釬焊或硬釬焊連接，以形成
連續(xù)的導(dǎo)電環(huán)。
使用一體的連續(xù)的相位環(huán)138是特別有利的，因?yàn)橥ㄏ蛉蹟嘟z124 的雙電流通路允許使用更低規(guī)格的(因此更輕和更便宜)材料來形成 相位環(huán)138。當(dāng)使用一體連續(xù)的相位環(huán)138時(shí)，可在與連接熔斷絲124 的點(diǎn)成180度相對的點(diǎn)處有效地劃分電流。由導(dǎo)體276在相位環(huán)的一 半上產(chǎn)生的流出到熔斷絲124的所有電流有效地保持在該一半相位環(huán) 上，在相對另一半上產(chǎn)生的電流沿著該路徑到達(dá)熔斷絲124。其結(jié)果 是相位環(huán)大約是導(dǎo)體規(guī)格的一半，且只有一個(gè)通路到達(dá)熔斷絲124。
各個(gè)環(huán)138布置在冷卻劑流路中，彼此電絕緣和隔開，并與后端 板218電絕緣和隔開。使用非導(dǎo)電的導(dǎo)電相位環(huán)安裝結(jié)構(gòu)264將導(dǎo)電 相位環(huán)138適當(dāng)?shù)貦C(jī)械固定于端板218,該安裝結(jié)構(gòu)264優(yōu)選由非常 耐沖擊的且化學(xué)穩(wěn)定的材料如聚酰胺-酰亞胺制成，使得每個(gè)導(dǎo)電相位 環(huán)(每個(gè)相位輸出對應(yīng)一個(gè)導(dǎo)電相位環(huán))彼此物理隔開和電絕緣，以 及與后端板218物理隔開和電絕緣。導(dǎo)電相位環(huán)138定位在冷卻劑(例 如空氣)通道258中，以便最大程度地暴露在交流發(fā)電機(jī)102產(chǎn)生的 冷卻劑(例如空氣)流中。通過逐漸改變相鄰相位環(huán)的直徑可以進(jìn)一 步使對空氣流的暴露最大化。例如，與相位A (端子118)相應(yīng)的相 位環(huán)138布置得最靠近端板218的內(nèi)部，但是其具有相對大的直徑(適 當(dāng)?shù)亟咏税?18中冷卻劑(例如空氣)通道2S8的外徑)。與相位B (端子120)相應(yīng)的相位環(huán)138適當(dāng)?shù)赝S布置但是向后偏移，其具有 較小的直徑(相位B的導(dǎo)電環(huán)的外徑比相位A的導(dǎo)電環(huán)的內(nèi)徑適當(dāng)?shù)?小預(yù)定的量)。與相位C (端子122)相應(yīng)的相位環(huán)138同樣適當(dāng)?shù)赝?軸布置但相對于相位B的導(dǎo)電環(huán)138更向后偏移，且具有更小的直徑 (相位C的導(dǎo)電環(huán)的外徑比相位B的導(dǎo)電環(huán)的內(nèi)徑適當(dāng)?shù)匦☆A(yù)定的 量)。這種能夠通過相位環(huán)安裝結(jié)構(gòu)264獲得的排列使每個(gè)導(dǎo)電環(huán)以盡可能接近環(huán)境入口溫度暴露在冷卻空氣流中。優(yōu)選地，最遠(yuǎn)離環(huán)境入 口的導(dǎo)電環(huán)具有更大的直徑。
參考圖2D，輸出端子組件126適當(dāng)?shù)匕▋?yōu)選由高導(dǎo)電耐腐蝕材 料(例如電鍍的銅)構(gòu)成的導(dǎo)電螺柱266和優(yōu)選由高耐沖擊且化學(xué)穩(wěn) 定的材料(例如聚酰胺-酰亞胺)構(gòu)成的非導(dǎo)電套管268,以便使輸出 端子與交流發(fā)電機(jī)的后端板218電絕緣。該優(yōu)選實(shí)施例中的導(dǎo)電螺柱 266具有一體的肩270，其用作交流發(fā)電機(jī)后端板218內(nèi)部的支座，螺 母272可緊固在該后端板上，從而將組件固定在后端板218中。
熔斷絲124由合適的材料構(gòu)成，例如計(jì)算直徑和長度的絲(優(yōu)選 是電鍍的銅)，該絲在受到計(jì)算出的對交流發(fā)電機(jī)102、控制系統(tǒng)100 或由所述設(shè)備提供功率的電氣系統(tǒng)具有破壞性的負(fù)載時(shí)將熔化。在優(yōu) 選的實(shí)施例中，熔斷絲124軟釬焊或硬釬焊在導(dǎo)電螺柱266和導(dǎo)電相 位環(huán)138上。固定熔斷絲的可替換方法是將合適的接線片與熔斷絲124 的端部連接，然后通過螺母機(jī)械地將該端部固定在螺柱266上。
特別地參考圖2B和2C，導(dǎo)電相位環(huán)138固定在安裝結(jié)構(gòu)264上。 導(dǎo)電相位環(huán)138布置在冷卻劑路徑中，暴露在冷卻劑流(例如空氣流) 274中，從而冷卻導(dǎo)電相位環(huán)138和導(dǎo)體276(將線圏繞組連接到相位 環(huán)138)。導(dǎo)電相位環(huán)安裝結(jié)構(gòu)264定位成在相位環(huán)138和定子端匝(未 示出)之間產(chǎn)生間隙。該間隙使后定子端匝暴露在冷卻流體中，這在 傳統(tǒng)方式纏繞的定子中是得不到的。
冷卻劑(例如冷卻空氣)持續(xù)通過交流發(fā)電機(jī)并沖擊定子210的 繞組端臣280,從而冷卻該端匝。然后空氣流分開和繼續(xù)通過定子鐵 芯244并進(jìn)入空腔278，在此空氣流冷卻定子210的遠(yuǎn)側(cè)端匝。另一 分開的空氣流在轉(zhuǎn)子殼234和外殼226之間穿過，從而冷卻轉(zhuǎn)子殼234 和永磁體236。分開的空氣流在空氣通道250再次匯合，然后離開交 流發(fā)電才幾到達(dá)離心風(fēng)扇282。
如下面將要描述的，導(dǎo)體276包括單個(gè)三相磁極組的A相位118、 B相位120和C相位122部分，該導(dǎo)體離開定子210,并被軟釬焊或 硬釬焊到其各自相應(yīng)的導(dǎo)電相位環(huán)138。在該優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)體
17276暴露在空氣流274中。在某些情況下，期望的是使用薄壁的電絕 緣材料如高熔點(diǎn)芳香族聚酰胺(Nomex)包裹導(dǎo)體276，以便防止接 地。
現(xiàn)在參考圖2E，通過用矩形原料形成導(dǎo)電相位環(huán)使得提供合適的 表面來鉆出和攻絲孔284，實(shí)現(xiàn)制造導(dǎo)電相位環(huán)138的可替換方法。 在該實(shí)施例中，熔斷絲124的端部可與合適的接線片286連接，用于 通過如帶螺紋的緊固件288固定在導(dǎo)電相位環(huán)138上。同樣地，導(dǎo)體 276也可以配設(shè)有類似的接線片，并利用緊固件290固定到導(dǎo)電相位 環(huán)138上。使用類似于安裝結(jié)構(gòu)264的合適結(jié)構(gòu)以類似的方式將導(dǎo)電 相位環(huán)138固定在后端板218上?？商鎿Q地，可以在每個(gè)相位環(huán)中以 規(guī)則的間隔切割出槽292，在槽292中可以軟釬焊離開定子的各單獨(dú) 導(dǎo)體。這種裝配方法優(yōu)于前面描述的將導(dǎo)體276固定在相位環(huán)138上 的方法之處主要在于，通過改造現(xiàn)有的在電動(dòng)機(jī)制造中端接導(dǎo)體所用 的超聲焊接設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配。
現(xiàn)在參考圖2F，其示出了定子210，為了清楚，去除了線圏，并 且大大地簡略了各單獨(dú)導(dǎo)體276。在該特殊的實(shí)施例中，與三個(gè)相位 A、 B和C的每一個(gè)相應(yīng)的各個(gè)相位環(huán)138通過軟釬焊、硬釬焊、或 者由未絕緣的耐腐蝕導(dǎo)電材料如電鍍的銅構(gòu)成的整體材料機(jī)械加工而 成為連續(xù)的。圖示的端子126相應(yīng)于A相位118、 B相位120和C相 位122。每個(gè)磁極組的輸出通過相位環(huán)138集中在交流發(fā)電機(jī)內(nèi)，并 通過三個(gè)代表連接到控制系統(tǒng)100的所有三個(gè)相位的三個(gè)導(dǎo)體離開交 流發(fā)電機(jī)。
現(xiàn)在參考圖2G，來自相應(yīng)的A相位、B相位和C相位繞組118、 120和122的各單獨(dú)導(dǎo)體276終止在相應(yīng)的收集相位環(huán)138上端接， 接著各收集湘位環(huán)通過導(dǎo)體294傳送到控制系統(tǒng)100。控制系統(tǒng)100 的輸出產(chǎn)生電壓調(diào)節(jié)輸出或VRO，具有特定的應(yīng)用電壓，例如 28VDC。
連接在輸出端子264和控制系統(tǒng)IOO之間的導(dǎo)體294適當(dāng)?shù)鼐哂?足夠的規(guī)格，以便充分地運(yùn)載電流。隨著電線或電纜的規(guī)格增大，電纜布線變得越來越難，因?yàn)樵诖笠?guī)格的電線中彎曲半徑更大。因此， 在許多應(yīng)用中難以使用非常大規(guī)格的電線或電纜。正如將要討論的， 在非常大的導(dǎo)體可能是不合適的應(yīng)用場合中，就能將相位環(huán)分成多個(gè) 段，每個(gè)相位環(huán)的分段分配一個(gè)合適尺寸的導(dǎo)體，以便運(yùn)栽該特定分 段產(chǎn)生的減小電流。
例如，通過利用被分成多組的相位環(huán)可以減少電流要求?，F(xiàn)在參
考圖3A-3D,交流發(fā)電機(jī)302采用了兩組相位環(huán)306，具有相應(yīng)的端 子126和熔斷絲124，該交流發(fā)電機(jī)與相應(yīng)的控制系統(tǒng)308和310配 合。相位環(huán)310在點(diǎn)312和314處^皮電氣隔離。每組相位環(huán)承載相應(yīng) 的A相位、B相位和C相位部分，每個(gè)相位部分通向相應(yīng)的控制系統(tǒng) 308和310。后端板304與端板218的各個(gè)方面都相似，除了一個(gè)特征 之外，即該后端板304被機(jī)械加工以容納第二組端子126。
現(xiàn)在參考圖3D，每個(gè)相位環(huán)部分306容納來自定子210的相應(yīng)導(dǎo) 體276。相位環(huán)部分306通過端子126、導(dǎo)體316與控制系統(tǒng)308和 310電連接。當(dāng)端子126連接到相位環(huán)部分306的中部時(shí)，在連接熔 斷絲124的位置處將電流有效分開。由導(dǎo)體276在該相位環(huán)部分的一 半上產(chǎn)生的流出到熔斷絲124的所有電流有效地保持在該一半上，在 相對的另一半上產(chǎn)生的電流沿著該路徑到達(dá)熔斷絲124。其結(jié)果是相 位環(huán)部分大約是導(dǎo)體規(guī)格的一半，且只有一個(gè)通路到達(dá)熔斷絲。導(dǎo)體 316的規(guī)格可以根據(jù)特定的應(yīng)用要求來確定尺寸。當(dāng)例如考慮到以 28VDC適當(dāng)?shù)貍鲗?dǎo)600安培的電力所需的導(dǎo)體尺寸時(shí)，目前的發(fā)動(dòng)機(jī) 機(jī)艙只能提供非常小的空間。通過在極高的輸出應(yīng)用中將導(dǎo)體316運(yùn) 載的電流二等分，就更容易對電纜進(jìn)行布線。在控制系統(tǒng)中也有相應(yīng) 的益處。隨著安培數(shù)增大，元件的尺寸和成本增大，但不是以線性的 方式增大。因此通過使導(dǎo)體承栽的電流以及控制元件二等分，可以節(jié) 省空間和成本。
通過將相位環(huán)分成多個(gè)部分，可以進(jìn)一步減小電流要求。例如， 參考圖4A-4D,相位環(huán)可以分成在點(diǎn)416、 418、 420和422處電隔離 的四個(gè)部分406。為每個(gè)相位環(huán)的分段提供相應(yīng)組的端子118、 120、122，以與相應(yīng)的控制系統(tǒng)408、 410、 412和414連接。對于相位環(huán)部 分306,端子126連接在相位環(huán)部分406的中部，電流在連接熔斷絲 124的位置處有效地分開。由導(dǎo)體276在相位環(huán)一半上產(chǎn)生的流出到 熔斷絲124的所有電流有效地保持在該一半上，在相對的另一半上產(chǎn) 生的電流沿著該路徑到達(dá)熔斷絲124。其結(jié)果是相位環(huán)大約是導(dǎo)體規(guī) 格的一半，且只有一個(gè)單獨(dú)的通路到達(dá)熔斷絲124?？刂葡到y(tǒng)408、410、 412和414的輸出并聯(lián)連接，以便提供輸出VRO +和VRO-。
如前面所描述的，定子鐵芯210通常為圓柱形，其具有在軸向上 成鋸齒形的外周表面，即具有預(yù)定數(shù)量的等間隔的齒和槽。導(dǎo)電繞組 (由合適絕緣的導(dǎo)電體構(gòu)成，如涂有清漆的電動(dòng)機(jī)銅線)通過各個(gè)槽沿 鐵芯的側(cè)面向外圍繞預(yù)定數(shù)量的齒纏繞，然后再通過另一個(gè)槽向回纏 繞?，F(xiàn)在參考圖5，定子鐵芯210包括預(yù)定數(shù)量的槽，例如36個(gè)(在 圖5中示意性示出，用數(shù)字l-36表示)。導(dǎo)電繞組包括相應(yīng)于轉(zhuǎn)子中 的每個(gè)磁極的預(yù)定數(shù)量的各個(gè)相位線圏(A相位、B相位和C相位)。 三相交流發(fā)電機(jī)的各個(gè)萬茲極相位線圏包括A》茲極相位線圏518、 B磁 極相位線圏520和C磁極相位線閨522，這些磁極相位線圏共同地構(gòu) 成磁極相位線圏組526。對于在"Y，，連接524中相互配合的交流發(fā)電機(jī) 的每個(gè)磁極有一個(gè)磁極相位線圏組(例如，在12個(gè)磁極的交流發(fā)電機(jī) 中的12個(gè)磁極相位線圏組)。12個(gè)磁極的交流發(fā)電機(jī)的磁極相位線圏 導(dǎo)體526與其相應(yīng)的導(dǎo)電相位環(huán)506、 508和510連接。
例如，單獨(dú)磁極相位線圏522 (磁極組1的C相位)纏繞在定子 210的#36和#3槽上。包括線圏522的導(dǎo)體526的匝數(shù)等于產(chǎn)生交 流發(fā)電機(jī)的一個(gè)相位的額定輸出電壓所需的匝數(shù)。單獨(dú)相位線圏的輸 出電流部分等于1除以交流發(fā)電機(jī)的磁極數(shù)量。這樣，單獨(dú)磁極相位 線圈由臣數(shù)相對較多的相對小的線組成。
這種構(gòu)造在制造交流發(fā)電機(jī)以及運(yùn)行交流發(fā)電機(jī)的過程中都具有 許多的優(yōu)點(diǎn)。
因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的》茲極相位線圏由相對較多的匝組成，因此通過改 變臣數(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電壓的微小變化。例如，以傳統(tǒng)的方式纏繞的且
20所有磁極相位線圏串聯(lián)連接的特定的12磁極交流發(fā)電機(jī)需要等于線 規(guī)為6.285的1.0417匝的導(dǎo)體，以便在1940rpm時(shí)產(chǎn)生14VDC (在 適當(dāng)整流后)、300安培的功率。匝數(shù)和同等的線規(guī)都不是用于生產(chǎn)的 實(shí)際數(shù)字。通過構(gòu)造磁極相位線圏并聯(lián)連接的示例性交流發(fā)電機(jī)，每 個(gè)單獨(dú)的磁極相位線圏為17線規(guī)的12.5匝。(應(yīng)該注意，通過在定子 疊合堆疊的一側(cè)上端接單獨(dú)磁極相位線圏的一個(gè)端部(稱為起點(diǎn))并 在定子疊合堆疊的另一側(cè)上端接單獨(dú)磁極相位線圏的另一端(稱為終 點(diǎn))可以構(gòu)造一半匝。該構(gòu)造在圖18A中示出)。還對于該實(shí)例，把 初始設(shè)計(jì)增大到1.0833匝(也不是實(shí)際的數(shù)字)將使每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)降低 到1894。這可以在該可替換的結(jié)構(gòu)中通過將每個(gè)并聯(lián)的磁極相位線圏 增大到13匝來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)體相對小的橫截面積使得可以更容易地纏繞線
單獨(dú)磁極相位線圏的匝之間的短路使在交流發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的大部 分電力流入短路線圏。由于線圏由相對大量匝數(shù)的相對小橫截面積的 導(dǎo)體構(gòu)成，因此短路的匝將非常快地熔化，并清除短路。由一個(gè)磁極 相位線圏斷開(opening up)導(dǎo)致的輸出功率的下降近似為1/(磁極數(shù) +相位數(shù))。例如，在一個(gè)磁極相位線圏被短路并然后自清除的情況下， 12磁極的、三相交流發(fā)電機(jī)的功率輸出下降近似為3%。
例如，通常將在小于2秒內(nèi)清除單獨(dú)磁極相位線圏的匝之間的短 路。消除了對交流發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損害，發(fā)動(dòng)機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，且 沒有附加的負(fù)載，交流發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)產(chǎn)生功率給所連接的負(fù)載。導(dǎo) 電相位環(huán)138分別標(biāo)識(shí)為A環(huán)506、 B環(huán)508和C環(huán)510。為了清楚 的目的，示意性地示出了三個(gè)單獨(dú)的磁極相位線圏導(dǎo)體，即A相位 512、 B相位514和C相位516。在該圖示中，構(gòu)成磁極相位線圏組的 三個(gè)磁極相位線圍中的每一個(gè)以"Y"連接524的方式進(jìn)行連接。如前 面所描述的，還可以利用相位集流環(huán)實(shí)現(xiàn)"A (Delta)"連接。
各個(gè)單獨(dú)相位線圏導(dǎo)體以不會(huì)妨礙冷卻的有效方式集中。通過使 相位線圏導(dǎo)體的相位線圏端匝相對于定子210的面成90度，端匝暴露 在盡可能最大的空氣流中，從而可以給所述端匝提供盡可能最佳的冷卻。
盡管已經(jīng)結(jié)合各個(gè)示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限 于示出的具體形式，可以設(shè)想在不脫離本發(fā)明的精神的條件下創(chuàng)造本 發(fā)明的其他實(shí)施例。如下面的權(quán)利要求所表達(dá)的，可以根據(jù)本發(fā)明對 元件、材料、數(shù)值、結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)和布置的其他方面作出多種變化。
權(quán)利要求
1. 緊湊、大功率的功率轉(zhuǎn)換裝置，包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括圓柱形殼和布置在殼上的預(yù)定數(shù)量的永磁體，該轉(zhuǎn)子適于圍繞殼的軸線旋轉(zhuǎn)；包括鐵芯和多組導(dǎo)電繞組的定子，每組導(dǎo)電繞組包括預(yù)定數(shù)量的單獨(dú)導(dǎo)電繞組并與電相位相應(yīng)；與每組導(dǎo)電繞組相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)收集導(dǎo)體，每組導(dǎo)電繞組中的每個(gè)單獨(dú)導(dǎo)電繞組與相應(yīng)的收集導(dǎo)體并聯(lián)電連接；和引導(dǎo)冷卻劑以使其與定子繞組接觸的冷卻劑流路；各個(gè)收集導(dǎo)體布置在冷卻劑流路中，收集導(dǎo)體彼此電絕緣和彼此隔開并且與繞組電絕緣和隔開。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中每個(gè)收集導(dǎo)體包括連續(xù)的導(dǎo)電環(huán)。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括與每個(gè)導(dǎo)電環(huán)相關(guān)聯(lián)的相應(yīng) 輸出端子組件，輸出端子組件分別在單個(gè)點(diǎn)處電連接到導(dǎo)電環(huán)，使得 從連接到導(dǎo)電環(huán)上相對于端子組件連接點(diǎn)而言不同位置處的各單獨(dú)繞 組提供的電流選擇由輸出端子組件的連接點(diǎn)和導(dǎo)電環(huán)上相對于所述輸 出端子組件的連接點(diǎn)成大約180度的點(diǎn)所限定的兩條路徑中的一條。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其中輸出端子組件包括導(dǎo)電柱和電 連接在導(dǎo)電柱和相應(yīng)導(dǎo)電環(huán)之間的熔斷絲。
5. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中各個(gè)導(dǎo)電環(huán)具有不同的直徑， 以便促進(jìn)冷卻。
6. 如權(quán)利要求5所述的裝置，其中各個(gè)導(dǎo)電環(huán)相對彼此同心且軸 向地移位。
7. 如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括非導(dǎo)電的安裝結(jié)構(gòu)，該安裝 結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電環(huán)相配合以將導(dǎo)電環(huán)保持在預(yù)定的位置。
8. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中導(dǎo)電環(huán)由端部相連接的線材坯 形成。
9. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中導(dǎo)電環(huán)通過沖壓導(dǎo)電材料片形成。
10. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中導(dǎo)電環(huán)由矩形料形成。
11. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括非導(dǎo)電的安裝結(jié)構(gòu)，該安 裝結(jié)構(gòu)與收集導(dǎo)體相配合以將收集導(dǎo)體保持成預(yù)定的布置方式。
12. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中收集導(dǎo)體是非絕緣的，以便 促進(jìn)冷卻。
13. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中安裝結(jié)構(gòu)同心和軸向地保持 各組導(dǎo)電環(huán)，以便在環(huán)境入口溫度將導(dǎo)電環(huán)暴露于冷卻流體。
14. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中導(dǎo)電環(huán)相對剛性，使得導(dǎo)電 環(huán)在正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生的加速過程中保持形狀。
15. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中對于每個(gè)電相位來說，每個(gè) 收集導(dǎo)體包括相應(yīng)一組預(yù)定數(shù)量的電絕緣的且大小相同的導(dǎo)電弧。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括與每個(gè)導(dǎo)電弧相應(yīng)的輸出 端子組件，其在單個(gè)點(diǎn)與導(dǎo)電弧電連接。
17. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其中端子組件包括導(dǎo)電柱和電連 接在導(dǎo)電柱和相應(yīng)導(dǎo)電弧之間的熔斷絲。
18. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中各組導(dǎo)電弧具有不同的半徑， 以便促進(jìn)冷卻。
19. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中各組導(dǎo)電弧相對彼此同心且 軸向地移位。
20. 如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括非導(dǎo)電的安裝結(jié)構(gòu)，該安 裝結(jié)構(gòu)與各組導(dǎo)電弧相配合以將導(dǎo)電弧保持成預(yù)定的布置方式。
21. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其中安裝結(jié)構(gòu)同心且軸向地保持 各組導(dǎo)電弧，以便在環(huán)境入口溫度將導(dǎo)電弧暴露于冷卻流體。
22. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其中與導(dǎo)電弧連接的單個(gè)點(diǎn)大約 在導(dǎo)電弧的中點(diǎn)。
23. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中導(dǎo)電弧由線材坯形成。
24. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中導(dǎo)電弧由矩形料形成，并且包括適于接納各單獨(dú)繞組的相應(yīng)槽口 。
25. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中收集導(dǎo)體弧相對剛性，使得 收集導(dǎo)體弧在正常運(yùn)行出現(xiàn)的加速過程中保持形狀。
26. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中與轉(zhuǎn)子中的每個(gè)磁極相應(yīng)的 各單獨(dú)相位線圏均勻地分布在各組導(dǎo)電弧之間。
27. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中對于每個(gè)電相位來說，每個(gè) 收集導(dǎo)體包括一組兩個(gè)電絕緣的且大小相同的導(dǎo)電弧。
28. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中對于每個(gè)電相位來說，每個(gè) 收集導(dǎo)體包括一組四個(gè)電絕緣的且大小相同的導(dǎo)電弧。
29. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中冷卻劑流路包括穿過定子鐵 芯的通路和穿過轉(zhuǎn)子的通路。
30. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中各單獨(dú)導(dǎo)電繞組具有相對小 的直徑，使得單獨(dú)繞組中的短路狀態(tài)將導(dǎo)致該單獨(dú)繞組熔化并清除短 路。
全文摘要
一種緊湊的大功率的功率轉(zhuǎn)換裝置，包括轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子包括圓柱形殼和布置在殼上的預(yù)定數(shù)量的永磁體，并且轉(zhuǎn)子適于圍繞殼的軸線旋轉(zhuǎn)。定子包括鐵芯和多組導(dǎo)電繞組，每組導(dǎo)電繞組包括預(yù)定數(shù)量的單獨(dú)導(dǎo)電繞組并與電相位相應(yīng)。各個(gè)收集導(dǎo)體與每組導(dǎo)電繞組相應(yīng)，每組中的每個(gè)單獨(dú)導(dǎo)電繞組與相應(yīng)的收集導(dǎo)體電連接。各個(gè)收集導(dǎo)體布置在冷卻劑流路中，該冷卻劑流路引導(dǎo)冷卻劑與定子繞組相接觸，收集導(dǎo)體彼此電絕緣和彼此隔開并且與繞組電絕緣和隔開。公開了形式為連續(xù)環(huán)和形式為多個(gè)弧的收集導(dǎo)體。
文檔編號H02K9/06GK101438483SQ200780013577
公開日2009年5月20日 申請日期2007年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者C·Y·拉方丹, H·C·斯科特 申請人:磁應(yīng)用公司