專利名稱：用于車輛的發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于諸如一客車或一卡車的車用發(fā)電機。
為了減小車輛行駛狀況下的空氣阻力，車體趨于加工成傾斜尖形。向乘員部提供足夠的乘坐空間是最迫切的需求。為了滿足這些需求，車輛的發(fā)動機腔目前已變得又窄又擁擠，因此只有有限的空間用于安裝發(fā)電機。另外，發(fā)電機周圍區(qū)域的溫度升高。同時，為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，怠速期間的發(fā)動機的轉(zhuǎn)速趨于減小。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的減小，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也減小。另一方面，安全控制裝置或其它裝置的電負(fù)荷需要增大。這樣一來，發(fā)電機的電力生成能力需要大大地增加。即，需要為車輛提供一個結(jié)構(gòu)緊湊的高電力發(fā)電機。同時，希望用于車輛的發(fā)電機是廉價的。
如圖2所示，在一個用于車輛的普通發(fā)電機(一個已有發(fā)電機)中，一個轉(zhuǎn)子包括一個Lundel型鐵芯(下面稱為柱鐵芯)，該柱鐵芯具有一個圓柱部分，一個撥叉部分以及一個爪形磁極部分。普通發(fā)電機的全長由轉(zhuǎn)子的沿軸向方向的長度(下面稱為軸向長度)確定。相應(yīng)地，為了設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊的發(fā)電機，希望轉(zhuǎn)子的軸向長度減小。
在如圖2所示的普通發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中，磁通量φ由圓柱部分流向撥叉部分和爪形磁極部分，然后逐漸由爪形磁極部分流向定子鐵芯。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通量φ的大小由下面給出φ=AT/G其中“A”流過磁場線圈的電流；“T”表示磁場線圈的圈數(shù)；“G”表示相應(yīng)部分的磁阻的總和?！癆T”代表電流“A”和與磁場線圈的橫截面的面積的平方根成正比的的圈數(shù)“T”的乘積。乘積“AT”也稱為線圈“AT”。每個磁阻和磁路的長度成正比，與磁路的橫截面面積成反比。
在圖2所示的已有結(jié)構(gòu)中，柱鐵芯不同部分的磁路橫截面的面積S1,S2和S3被設(shè)置成彼此基本相同，以防止發(fā)生局部磁飽和。選擇柱鐵芯各部分的尺寸，以便為磁場線圈提供適當(dāng)?shù)目臻g。定子鐵芯的一個磁路的橫截面的面積被設(shè)置成基本上和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通量相同。根據(jù)每一組纏繞的磁阻，定子鐵芯每個凹槽的橫截面的面積被確定。因此，定子的軸向長度也被確定。
在如此設(shè)計的已有的磁路中，柱鐵芯的圓柱部分的軸向長度L2基本上或近似等于圖2所示定子鐵芯的軸向長度L1。
在圖2所示的已有結(jié)構(gòu)中，當(dāng)需要增大發(fā)電機的電力輸出時，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通量增大。為了實現(xiàn)增大的磁通量的產(chǎn)生，需要增大線圈“AT”(即，加大磁場線圈)的值或減小磁阻。
在圖2所示的已有結(jié)構(gòu)中，在不改變轉(zhuǎn)子尺寸的情況下，如果產(chǎn)生的磁通量增加，則轉(zhuǎn)子相應(yīng)部分的橫截面的面積需減小，以便允許磁場線圈的橫截面的面積的增大，從而增強線圈“AT”。如果需要較大的磁路橫截面的面積，以便減小磁阻，則磁阻線圈的橫截面的面積必須減小。這樣一來，圖2所示的已有結(jié)構(gòu)需要在兩種需求之間考慮折中選擇。
圖3示出了另外一種已有結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)子的尺寸等于圖2所示已有結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子的尺寸，而且定子鐵芯的軸向長度L1被設(shè)置成比柱鐵芯的圓柱部分的軸向長度L2長，以便減小定子鐵芯的磁阻以及定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙。如果定子側(cè)的磁阻被減小以增大磁通量，則由于磁通量的總量被轉(zhuǎn)子相應(yīng)部分的磁飽和限制，因此磁通量的增大量只能很小。在這種情況中，盡管定子重量的增加可看作是一個補償因素，但是提高每單位重量的發(fā)電機的動力輸出很困難。
圖4還示出了另一種已有結(jié)構(gòu)，其中爪形磁極部分基部的橫截面的面積S3被設(shè)置成小于圓柱部分的橫截面的面積S1和撥叉部分的橫截面的面積S2，以便得到較大的磁場線圈的橫截面的面積。在圖4所示的已有結(jié)構(gòu)中，爪形磁極部分的基部趨于磁飽和。因此，盡管圓柱部分和撥叉部分具有足夠的磁容量，但是爪形磁極部分的基部的磁阻趨向于突然增大，從而使得磁通量的總量明顯受到限制。
在圖4所示的已有結(jié)構(gòu)中，磁通量被爪形磁極部分阻斷，因此磁通量沿軸向泄漏。磁通量的泄漏導(dǎo)致到達(dá)定子鐵芯的磁通量的減少。定子鐵芯中減少的磁通量降低了發(fā)電機的電力輸出。
在已知的占有較窄空間的磁場線圈中，線圈的磁阻減小，提供適當(dāng)?shù)木€圈“AT”，則磁場電流增大。在這種情況中，磁場線圈產(chǎn)生的熱量增加，因此造成對其冷卻的難題。同時，產(chǎn)生激磁損失增加和電力產(chǎn)生效能降低的難題。
日本公開的未審查專利申請61-85045公開了一種磁鐵被插入爪形磁極部分之間的區(qū)域，以防止磁通量的泄漏，從而增加轉(zhuǎn)子中的磁通量的總量。在這種情況中，由于磁鐵而造成費用問題。此外，需要提供一個夾持磁鐵的裝置。夾持裝置增加了費用。另外，由于離心力，磁鐵有機會離開正常位置。因此，很難實際應(yīng)用日本申請61-85045中所述的已有結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)下列事實。上述問題是由涉及方針引起的，在該涉及方針中，流過一個柱鐵芯的一個磁路的磁通量被認(rèn)為總是相同的，而且磁路不同部分的橫截面的面積也被假設(shè)相同。
在圖2和圖4所示的已有結(jié)構(gòu)中，軸向長度L1和L2彼此相等，而且磁通量趨于一致流動。這樣一來，圖2和圖4所示的已有結(jié)構(gòu)需要根據(jù)相等的磁路橫截面面積的情況來設(shè)計。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)子橫截面的面積需要大致相等。在圖2和圖4所示的已有結(jié)構(gòu)中，由于磁路的橫截面的面積增大，因此磁場線圈的橫截面的面積需要被減小。這樣一來，磁場線圈的能力減小。
在圖3所示的已有結(jié)構(gòu)中，軸向長度L1大于軸向長度L2，并且撥叉部分和定子鐵芯相對。因此，在這種情況中，磁通量直接由撥叉部分流向定子。相應(yīng)地，爪形磁極部分的磁通量的總量減小，因此，較窄的爪形磁極部分的橫截面的面積就可能足夠了。
本發(fā)明建立了圖5所示的一個新結(jié)構(gòu)，并且已發(fā)現(xiàn)了圖5所示新結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)點。在圖5所示的新結(jié)構(gòu)中，圓柱部分和撥叉部分的橫截面的面積S1和S2被設(shè)置得大，同時爪形磁極部分的基部的橫截面的面積S3設(shè)置得小。在這種情況下，對應(yīng)于較大的橫截面的面積S1和S2的一部分增大的磁通量能夠直接由撥叉部分流向定子，其余磁通量在流向定子前能夠流經(jīng)爪形磁極部分。因此，磁路的橫截面的面積能夠增加，而且磁通量的總量能夠增大，同時磁場線圈所期望的橫截面的面積能夠保持不變。
在圖5所示的新結(jié)構(gòu)中，撥叉部分和定子鐵芯相對。這種設(shè)計意味著由撥叉部分泄漏至外部的磁通量的總量最小。這樣一來，可以增加轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通量的使用效率。
圖6示出了圖2和4所示的已有結(jié)構(gòu)的等效磁電路。圖7示出了圖5所示新結(jié)構(gòu)的等效磁電路。按照圖7，磁阻器r6和r7加在圖6所示的等效磁電路的一個平行的基準(zhǔn)上。對應(yīng)于從撥叉部分至外部的磁泄漏的一個磁阻器r0被磁阻器r7代替。因此，考慮圖7所示的等效磁電路，泄漏至外部的磁通量φ0’基本上不存在。
在圖6所示的等效磁電路中，當(dāng)爪形磁極部分保持非磁飽和時，磁通量φ0均勻流動。在圖7所示的等效磁電路中，磁通量φ0分成在爪形磁極部分流動的磁通量φ1和直接流入定子鐵芯的磁通量φ2。爪形磁極部分流動的磁通量φ1小于下列關(guān)系式所代表的磁通量φ0。
φ1={(r6+r7)φ0}/(r3+r4+r6+r7)相應(yīng)地，在爪形磁極部分的磁路的橫截面面積以這一關(guān)系減小的情況下，磁飽和不變情況不存在，而且所有磁通量φ0的總量不減小。
在圖6所示的等效磁路中，當(dāng)磁飽和發(fā)生，從而使得磁阻器r3的磁阻變大時，磁通量經(jīng)過磁阻器r0由撥叉部分泄漏至外部。另一方面，在圖7所示的等效磁電路中，即使當(dāng)磁飽和發(fā)生，結(jié)果使得磁阻器r3的磁阻變大時，磁通量經(jīng)過磁阻器r7流至定子鐵芯。因此，按照圖7所示的等效磁電路，可以縮小爪形磁極部分。
爪形磁極部分橫截面面積的減小增加了柱鐵芯中的可用空間。當(dāng)可用增加的空間恰當(dāng)?shù)胤峙浣o磁路以增大其橫截面面積且磁場線圈區(qū)域增大時，發(fā)電機的動力輸出較已有結(jié)構(gòu)可得到的動力輸出有明顯地改進(jìn)。
在圖7所示的等效磁電路中，加在一個平行基準(zhǔn)上的磁阻器r6和r7的磁阻取決于定子鐵芯的軸向長度L1和圓柱部分的軸向長度L2之間的差值。當(dāng)差值增大時，爪形磁極部分的橫截面面積能夠減小，從而使得發(fā)電機電力輸出進(jìn)一步改進(jìn)。另一方面，定子總量隨定子軸向長度L1成正比增加。因此，在特定情況下的每單位重量的發(fā)電機電力輸出最大。
本發(fā)明已經(jīng)按照上述的設(shè)想實施。本發(fā)明采用了使定子鐵芯的軸向長度L1大于圓柱部分的軸向長度L2的設(shè)計。同時，本發(fā)明使用了各部分尺寸適當(dāng)確定的設(shè)計。這些設(shè)計方法提供了一協(xié)同效應(yīng)，而本發(fā)明采用了這一協(xié)同效應(yīng)，在不減少線圈磁阻或不使用磁鐵的情況下，目的地于為車輛提供一個結(jié)構(gòu)緊湊的大電力發(fā)電機的，其具有好的冷卻性能、良好的效率及低費用。
按照權(quán)利要求1的本發(fā)明，用于車輛的發(fā)電機包括一個磁場轉(zhuǎn)子和定子。磁場轉(zhuǎn)子包括一個Lundel型鐵芯和一個位于Lundel型鐵芯上的磁場線圈。Lundel型鐵芯具有一個圓柱部分，一個撥叉部分以及一個爪形磁極部分。磁場線圈位于圓柱部分上。撥叉部分由圓柱部分徑向向外延伸。爪形磁極部分和撥叉部分相連。爪形磁極部分環(huán)繞磁場線圈而形成。定子位于轉(zhuǎn)子的爪形磁極部分的徑向外側(cè)。定子和轉(zhuǎn)子的爪形磁極部分相對。定子包括一個多層鐵芯和一個位于多層鐵芯上的電樞線圈。定子的多層鐵芯的軸向長度L1和Lundel型鐵芯的圓柱部分的軸向長度L2的比值L1/L2在1.25-1.75的范圍內(nèi)。Lundel型鐵芯的圓柱部分的外徑R2和Lundel型鐵芯爪形磁極部分的外徑R1的比值R2/R1在0.54-0.60的范圍內(nèi)。
在權(quán)利要求1所述的本發(fā)明中，定子的多層鐵芯的軸向長度L1和Lundel型鐵芯的圓柱部分的軸向長度L2的比值L1/L2在1.25-1.75的范圍內(nèi)。因此，如圖3所示，柱鐵芯的撥叉部分能夠和定子鐵芯相對，而且磁通量能夠直接從撥叉部分流入定子鐵芯。這樣一來，來自爪形磁極部分的磁通量能夠減小，并且爪形磁極部分的橫截面面積能夠成正比的減小。相應(yīng)地，柱鐵芯中的可用空間具有剩余，因此Lundel型鐵芯的圓柱部分的外徑R2和Lundel型鐵芯爪形磁極部分的外徑R1的比值R2/R1能夠被恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計，當(dāng)適當(dāng)提供一線圈橫截面面積時，使得磁路橫截面面積大于已有結(jié)構(gòu)中的磁路橫截面面積。更具體地說，比值“R2/R1”設(shè)置在0.54-0.60的范圍內(nèi)。這樣一來，在不增大磁場電流的情況下提供一個結(jié)構(gòu)緊湊，高效能以及大電力的發(fā)電機成為可能。
在權(quán)利要求2所述的本發(fā)明中，爪形磁極部分基部的徑向厚度X1和撥叉部分的徑向厚度X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9的范圍內(nèi)。由于比值“X1/X2”設(shè)定在預(yù)先指示的范圍內(nèi)，因此爪形磁極部分的磁通量密度可以設(shè)置在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，而沒有任何超出和不足。相應(yīng)地，可以防止爪形磁極部分基部的徑向厚度X1過大而減小線圈的橫截面面積。同時，也可以防止爪形磁極部分基部的徑向厚度X1過小而降低發(fā)電機的電力輸出。
在權(quán)利要求3所述的本發(fā)明中，磁場線圈的軸向橫截面相對于軸向中心基本上對稱，并且具有一個山形，從而使得一部分磁場線圈的外徑大于緊鄰中心位置的一部分磁場線圈的外徑。因此，線圈占用率得以改進(jìn)，并且發(fā)電機的電力輸出能夠進(jìn)一步增大。
在權(quán)利要求4所述的本發(fā)明中，一樹脂浸漬層環(huán)繞磁場線圈，而且磁場線圈通過該樹脂浸漬層和爪形磁極部分的內(nèi)圓周面相結(jié)合。由于磁場線圈和爪形磁極部分的內(nèi)圓周面相結(jié)合，可以防止由爪形磁極部分的共振磁場力產(chǎn)生的噪音。爪形磁極部分的厚度及剛度小于已有結(jié)構(gòu)。因此，它提供了一個很大的好處。在權(quán)利要求4所述的本發(fā)明中，磁場線圈被樹脂浸漬層環(huán)繞。因此，爪形磁極部分和磁場線圈之間能夠具有充分的電絕緣，并且柱鐵芯的空間能夠最大限度的使用，發(fā)電機的電力輸出能夠進(jìn)一步得到提高。由于樹脂浸漬層的使用，磁場線圈可在不使用任何粘合劑的情況下被固定。
按照權(quán)利要求5所述的本發(fā)明，車用發(fā)電機包括磁場電流調(diào)節(jié)裝置。磁場電流調(diào)節(jié)裝置具有一個于磁場線圈的高電壓側(cè)相連的晶體管。這樣一來，當(dāng)車輛保持不工作時，磁場線圈不承受電壓。相應(yīng)地，磁場線圈和柱鐵芯之間，特別是磁場線圈和爪形磁極部分之間的電蝕可以被防止。因此，磁場線圈和柱鐵芯之間的最小空隙足夠，而且占用率能夠增加。所以，發(fā)電機的電力輸出能夠進(jìn)一步得以提高。
在權(quán)利要求6所述的本發(fā)明中，多層鐵芯具有凹槽，電樞線圈具有許多電導(dǎo)體。至少具有一對相對于凹槽的縱深方向彼此電絕緣的電導(dǎo)體，并且其被分割成放置在凹槽縱深區(qū)域的外層和放置在凹槽開口側(cè)的內(nèi)層。在不同凹槽的內(nèi)層及外層的電導(dǎo)體串聯(lián)連接。
在權(quán)利要求6所述的本發(fā)明中，電樞線圈的線圈末端對齊，并被防止彼此在徑向重疊。相應(yīng)地，電樞線圈的線圈末端能夠縮小，定子的軸向總長能夠縮短。這樣一來，定子鐵芯的軸向長度L1能夠大動此發(fā)電機的參數(shù)能夠被設(shè)置在預(yù)先提到的最優(yōu)范圍之內(nèi)，而不會受到發(fā)電機殼體的限制。所以，提供一個結(jié)構(gòu)緊湊的發(fā)電機結(jié)構(gòu)及高發(fā)電機電力輸出成為可能。與此同時，線圈長度能夠縮短，在不增大電樞線圈的磁阻的情況下，定子鐵芯的軸向長度L1能夠增大。這樣一來，可以避免銅損的增加，并因此可得到高效能和高冷卻性能的發(fā)電機。


圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的車用發(fā)電機的主要部分的剖面圖。
圖2是在已有結(jié)構(gòu)中的定子和轉(zhuǎn)子間流動的磁通量的示意圖，其中柱鐵芯各相應(yīng)部分的磁通路的橫截面的面積設(shè)置成基本上或幾乎相等。
圖3是在已有結(jié)構(gòu)中的定子和轉(zhuǎn)子間流動的磁通量的示意圖，其中定子鐵芯的軸向長度設(shè)置成大于柱鐵芯圓柱部分的軸向長度。
圖4是在已有結(jié)構(gòu)中的定子和轉(zhuǎn)子間流動的磁通量的示意圖，其中柱鐵芯爪形磁極部分的基部的橫截面面積設(shè)置成比其圓柱部分和撥叉部分的橫截面面積窄，線圈的橫截面面積設(shè)置的很大。
圖5是在本發(fā)明一個結(jié)構(gòu)中的定子和轉(zhuǎn)子間流動的磁通量的示意圖，其中其中柱鐵芯爪形磁極部分的基部的橫截面面積設(shè)置成比其圓柱部分和撥叉部分的橫截面面積窄，定子鐵芯的軸向長度大于柱鐵芯圓柱部分的軸向長度。
圖6是已有結(jié)構(gòu)的等效磁路的示意圖。
圖7是按照本發(fā)明的一個結(jié)構(gòu)的等效磁路的示意圖。
圖8是按照本發(fā)明實施例的包括在車用發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子的柱鐵芯的剖面圖。
圖9是從轉(zhuǎn)子的圓柱部分方向看的平面視圖，該轉(zhuǎn)子包括在按照本發(fā)明的實施例的車用發(fā)電機中。
圖10是每單位重量的發(fā)電機的電力輸出，比值“L1/L2”及比值“R2/R1”之間關(guān)系的示意圖。
圖11是每單位重量的發(fā)電機的電力輸出和比值“R2/R1”之間關(guān)系的示意圖。
圖12是每單位重量的發(fā)電機的電力輸出和比值“L1/L2”之間關(guān)系的示意圖。
圖13是每單位重量的發(fā)電機的電力輸出，比值“L1/L2”及比值“X1/X2”之間關(guān)系的示意圖。
圖14是每單位重量的發(fā)電機的電力輸出和比值“X1/X2”之間關(guān)系的示意圖。
圖15是每單位重量的發(fā)電機的電力輸出和比值“L1/L2”之間關(guān)系的示意圖。
圖16是在本發(fā)明實施例中的U型電樞線圈部分的透視圖。
圖17是在本發(fā)明實施例中的定子上的電樞線圈末端的透視圖。
參見圖1，按照本發(fā)明的一個實施例的一個車用發(fā)電機1包括一個定子2，一個轉(zhuǎn)子3，一個殼體4，一個整流器5，以上一個電壓調(diào)節(jié)裝置11。定子2用作一個電樞。轉(zhuǎn)子3用于產(chǎn)生磁場。殼體4支撐定子2及轉(zhuǎn)子3。整流器5直接于定子2相連。整流器5將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。電壓調(diào)節(jié)裝置11調(diào)節(jié)磁場電流以控制產(chǎn)生的電力。這樣一來，電壓調(diào)節(jié)裝置11用作一個磁場電流調(diào)節(jié)裝置。電壓調(diào)節(jié)裝置11中的一個晶體管和一個磁場線圈的高電壓側(cè)(熱側(cè))相連，從而當(dāng)發(fā)電機1不工作時，磁場線圈可以不承受電壓。
轉(zhuǎn)子3和一軸6一同轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子3包括一套Lundel型柱鐵芯7，冷卻風(fēng)扇12，一個磁場線圈8，以及滑環(huán)9和10。軸6和一個皮帶輪20相連，并且由一個向車輛提供動力的發(fā)動機(未示出)驅(qū)動并旋轉(zhuǎn)。
如圖1,8和9所示，轉(zhuǎn)子3的每個柱鐵芯7包括一個圓柱部分71，一個撥叉部分72以及一個爪形磁極部分73。磁場線圈8呈山形，以使得由軸向看的磁場線圈8的中心部分的外徑大，隨著接近其末端，磁場線圈8的外徑減小。磁場線圈8的外形對應(yīng)于爪形磁極部分73的形狀。磁場線圈8通過絕緣紙81在一個適當(dāng)?shù)膲毫ο潞妥π未艠O部分73的內(nèi)表面相連。絕緣紙81使用一樹脂浸漬層，并且環(huán)繞磁場線圈8。由于熱輻照，絕緣紙81牢固地附在磁場線圈8上。例如，一帶狀層旋轉(zhuǎn)地纏繞在磁場線圈8上，以實現(xiàn)包圍。磁場線圈8可夾在形成包圍的夾心層之間。
定子2具有一個鐵芯32，一個電樞線圈33以及一個絕緣體34。電樞線圈33位于鐵芯32上。絕緣體34提供鐵芯32和電樞線圈33之間的電絕緣。如前所述，定子2由殼體4支撐。鐵芯32具有一層層薄鋼板。因此，鐵芯32為多層形。
柱鐵芯7對應(yīng)于Lundel型鐵芯，定子2的鐵芯32對應(yīng)于多層鐵芯。
下面參考圖8和9，將對磁路進(jìn)行詳細(xì)的描述。柱鐵芯7圓柱部分71的軸向長度L2設(shè)置成小于定子鐵芯32的軸向長度L1。軸向長度L1和軸向長度L2的比值“L1/L2”在1.25-1.75的范圍內(nèi)。撥叉部分72的軸向厚度由X2表示。每個撥叉部分72的橫截面面積設(shè)置成基本或近似等于(±10％范圍內(nèi))被磁極對數(shù)(在本實施例中為6對)相除的每個圓柱部分71的橫截面面積。爪形磁極部分73基部的徑向厚度由X1表示。值X1和值X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9的范圍內(nèi)。圓柱部分71的外徑由R2表示。爪形磁極部分73的外徑由R1表示。外徑R2和外徑R1的比值“R2/R1”在0.54-0.60的范圍內(nèi)。
一參考橫截面面積S1如下S1={4π/(4P)}(R22-R32)其中“P”表示柱鐵芯7中的磁極對數(shù)，“R3”表示軸6的直徑(其等于爪形磁極部分73外徑的18％)。
爪形磁極部分73的寬度W如下W=πR1/(2P)撥叉部分72的橫截面面積S2如下
S2≈S1=W·X2柱鐵芯7的軸向長度L0設(shè)置成等于外徑R1的55％。
磁場線圈8的線圈直徑和其它參數(shù)被選擇以滿足下列情況。由圓柱部分71，撥叉部分72以及爪形磁極部分73所確定的可用空間的68％被磁場線圈8占有。磁場線圈8的磁阻為2.3Ω。
定子2的外徑R4等于柱鐵芯7的爪形磁極部分73外徑R1的129％。選擇定子鐵芯32的尺寸，以使得其橫截面面積相對于參考橫截面面積S1具有66％的比值。比值66％的使用是考慮磁通量的泄漏而得到的。選擇電樞線圈33的線圈直徑，以相對于由前述尺寸確定的凹槽區(qū)域具有44％的占有率。
發(fā)電機1的空隙δ(定子2和轉(zhuǎn)子3之間的空隙)等于通常所使用的值，即0.35mm。爪形磁極部分73的外徑φ等于92mm。爪形磁極部分73的末端厚度及其它尺寸的選擇成對應(yīng)于一個和已有結(jié)構(gòu)的比值相同的值。
電樞線圈33由U形電導(dǎo)體231形成，每個電導(dǎo)體231具有兩個直部232，以及一個如圖16所示和直部232的端部相連的彎曲部233。參見圖17，U形電導(dǎo)體231以如下方式插入定子鐵芯32的凹槽內(nèi)，U形電導(dǎo)體231的一個直部231放置在凹槽的內(nèi)徑向區(qū)域內(nèi)(即，在徑向的凹槽開口側(cè))，以形成內(nèi)層，同時其它直部231放置在凹槽的外徑向區(qū)域內(nèi)(即，凹槽的縱深區(qū)域)，以形成外層。此外，與U形電導(dǎo)體231的直部232的端部相連的彎曲部233形成了伸出凹槽外的線圈端部。在定子鐵芯32上的電樞線圈33形成的過程中，U形電導(dǎo)體231制成一疊，通過一側(cè)的凹槽端部而插入凹槽，從而使得線圈端部對齊。由另一側(cè)凹槽端部伸出的U形電導(dǎo)體231的內(nèi)層及外層的直部232向定子鐵芯32的圓周方向彎曲。然后，伸出凹槽的一個直部232和另一個通過一個柱和前面的直部232分開的直部232相連，并且其處于一個不同于前面直部232的層內(nèi)。在不同凹槽內(nèi)層和外層內(nèi)的電導(dǎo)體231串聯(lián)，以構(gòu)成電樞線圈33。
下面將對本發(fā)明實施例所具有的優(yōu)點進(jìn)行詳細(xì)的描述。如前所述，定子鐵芯32的軸向長度L1和柱鐵芯7圓柱部分71的軸向長度L2的比值“L1/L2”在1.25-1.75的范圍內(nèi)。因此，柱鐵芯7的撥叉部分72可制成和定子鐵芯32相對，磁通量可直接由撥叉部分72流入定子鐵芯32。這樣一來，來自爪形磁極部分73的磁通量可以減小，而且爪形磁極部分73的橫截面面積可以成正比減小。相應(yīng)地，柱鐵芯7的可用空間過剩，因此圓柱部分71的外徑R2和爪形磁極部分73的外徑R1的比值可以被恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置，使得磁通路的橫截面面積大于已有結(jié)構(gòu)的橫截面面積，同時可以提供合適的線圈橫截面面積。比值“R2/R1”設(shè)置在0.54-0.60的最佳范圍內(nèi)。這樣一來，發(fā)電機的電力輸出能夠較已有結(jié)構(gòu)的電力輸出得以增加。
如前所述，爪形磁極部分73基部的徑向厚度X1和撥叉部分72的徑向厚度X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9的范圍內(nèi)。這樣一來，爪形磁極部分73的磁通密度可以設(shè)定在一個適當(dāng)?shù)闹?，而不存在任何篩渣和缺陷。相應(yīng)地，可以防止爪形磁極部分73過厚而破壞線圈橫截面區(qū)域。同時也可防止爪形磁極部分73過薄而減少發(fā)電機的電力輸出。
本發(fā)明實施例的優(yōu)點通過實驗而得以證明。圖10示出了實驗結(jié)果，當(dāng)比值“L1/L2”和比值“R2/R1”作為參數(shù)變化時，測量每單位重量的發(fā)電機電力輸出。如前所述，比值“L1/L2”等于定子鐵芯32的軸向長度L1和柱鐵芯7圓柱部分71的軸向長度L2的比值。比值“R2/R1”等于圓柱部分71的外徑R2和爪形磁極部分73的外徑R1的比值。
在圖10中，縱坐標(biāo)表示比值“L1/L2”，即定子鐵芯32的軸向長度L1和柱鐵芯7的圓柱部分71的軸向長度L2的比值，橫坐標(biāo)表示比值“R2/R1”，即圓柱部分71的外徑R2和爪形磁極部分73的外徑R1的比值。在圖10中，橫值線表示每單位重量的發(fā)電機電力輸出。在實驗期間，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速為2000rpm，電壓為13.5V以及當(dāng)前的熱飽和狀況下工作時，發(fā)電機電力輸出的最大值被測得。圖10中的每單位重量的發(fā)電機電力輸出為最大電力輸出除以定子和轉(zhuǎn)子的重量和。
圖11示出了圖10最大點附近區(qū)域的情況。更具體地說，圖11示出了在比值“L1/L2”為1.50，比值“R2/R1”可變情況下可得到的每單位重量的發(fā)電機電力輸出值。
圖12示出了圖10最大點附近區(qū)域的情況。更具體地說，圖11示出了在比值“R2/R1”為0.56，比值“L1/L2”可變情況下可得到的每單位重量的發(fā)電機電力輸出。
在圖10中，已有結(jié)構(gòu)的這一區(qū)域鄰近比值“L1/L2”等于“1”的直線延伸。如圖10所示，每單位重量的發(fā)電機電力輸出在從已有結(jié)構(gòu)區(qū)域處開始的比值“L1/L2”和比值“R2/R1”都增加的一個區(qū)域內(nèi)增加。更具體地說，當(dāng)比值“L1/L2”大約等于1.5，比值“R2/R1”大約等于0.56時，每單位重量的發(fā)電機電力輸出最大。相對于已有結(jié)構(gòu)區(qū)域，比值“R2/R1”的最佳范圍隨著比值“L1/L2”的變化而變化。在磁通路的橫截面面積大于已有結(jié)構(gòu)的磁通路橫截面面積，或者圓柱部分71的外徑R2相對的大時，最佳點可存在，而且最大發(fā)電機電力輸出進(jìn)一步增大。另一方面，當(dāng)比值“L1/L2”超出一定值時，定子2的重量過分增大。當(dāng)比值“L1/L2”在1.25-1.75范圍內(nèi)，比值“R2/R1”在0.54-0.60范圍內(nèi)時，發(fā)現(xiàn)每單位重量的發(fā)電機電力輸出較已有結(jié)構(gòu)的此值得以增大。
在圖10中很顯然，只有比值“L1/L2”變化或只有比值“R2/R1”變化幾乎沒有效果，而且這種變化區(qū)域減小發(fā)電機的電力輸出。在本發(fā)明的實施例中，當(dāng)比值“L1/L2”和比值“R2/R1”被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整時，可得到導(dǎo)致良好的發(fā)電機輸出特性的協(xié)同效應(yīng)，這種效應(yīng)在已有結(jié)構(gòu)中是不存在的。
圖13示出了每單位重量的發(fā)電機電力輸出的測定值，其中比值“L1/L2”作為一個參數(shù)，爪形磁極部分73的外徑R1等于92mm，圓柱部分71的外徑R2參考圖10被設(shè)置為最佳值，爪形磁極部分73基部的徑向厚度X1可變。在圖13中，縱坐標(biāo)表示比值“L1/L2”，即定子鐵芯32的軸向長度L1和柱鐵芯7圓柱部分71的軸向長度L2的比值，橫坐標(biāo)表示比值“X1/X2”，即爪形磁極部分73基部的徑向厚度X1和撥叉部分72的徑向厚度X2的比值。在圖13中，橫值線表示每單位重量的發(fā)電機電力輸出。
圖14示出了圖13最大點附近區(qū)域的情況。更具體地說，圖14示出了在比值“L1/L2”為1.5，比值“X1/X2”可變情況下可得到的每單位重量的發(fā)電機電力輸出。
圖15示出了圖13最大點附近區(qū)域的情況。更具體地說，圖15示出了在比值“X1/X2”為0.65，比值“L1/L2”可變情況下可得到的每單位重量的發(fā)電機電力輸出。
由圖13可看出，比值“X1/X2”最佳范圍隨著比值“L1/L2”的變化而變化。在爪形磁極部分73基部的橫截面面積或爪形磁極部分73基部的徑向厚度X1小于已有結(jié)構(gòu)的此值時，最佳點可存在，而且最大發(fā)電機電力輸出進(jìn)一步增大。另一方面，當(dāng)比值“L1/L2”超出一定值時，定子2的重量過分增大。當(dāng)比值“L1/L2”在1.25-1.75范圍內(nèi)，比值“X1/X2”在0.5-0.85范圍內(nèi)時，發(fā)現(xiàn)每單位重量的發(fā)電機電力輸出較已有結(jié)構(gòu)的此值得以增大。在這些設(shè)置下，爪形磁極部分73的磁通密度可以設(shè)定在一個適當(dāng)?shù)闹?，而不存在任何超出和不足。相?yīng)地，可以防止爪形磁極部分73過厚而破壞線圈橫截面區(qū)域。同時也可防止爪形磁極部分73過薄而減少發(fā)電機的電力輸出。
在圖13中很顯然，只有比值“L1/L2”變化或只有比值“X1/X2”變化幾乎沒有效果，而且這種變化區(qū)域減小發(fā)電機的電力輸出。在本發(fā)明的實施例中，當(dāng)比值“L1/L2”和比值“X1/X2”被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整時，可得到導(dǎo)致良好的發(fā)電機輸出特性的協(xié)同效應(yīng)，這種效應(yīng)在已有結(jié)構(gòu)中是不存在的。
在本發(fā)明的實施例中，如前面所解釋的，參數(shù)被設(shè)置在最佳范圍內(nèi)。因此可能提供適當(dāng)?shù)脑谝延薪Y(jié)構(gòu)中的不足的線圈橫截面面積，而不用加大轉(zhuǎn)子3。此外，可能獲得一個緊湊的發(fā)電機結(jié)構(gòu)和一個高電力輸出。由于磁場線圈8產(chǎn)生的熱和已有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱差不多，因此可以防止磁場線圈8過熱問題的發(fā)生。
定子2的線圈端用作冷卻片。在本發(fā)明的實施例中，由于經(jīng)過定子2的線圈端和冷卻風(fēng)扇12相對的區(qū)域相對的寬，因此電樞線圈33可以被有效地冷卻。
在本發(fā)明的實施例中，由于磁場線圈8具有一個山形，因此磁場線圈8占有的區(qū)域增大，從而可得到較大的發(fā)電機電力輸出。由于磁場線圈在適當(dāng)?shù)膲毫ο潞妥π未艠O部分73的內(nèi)圓周面相連，因此可防止由爪形磁極部分73的磁力共振而產(chǎn)生的噪聲。這樣一來，爪形磁極部分73基部的厚度可以很小，而不必考慮其剛度，并且可得到最大的發(fā)電機電力輸出，而不受噪聲的限制。
在本發(fā)明的實施例中，磁場線圈8被使用樹脂浸漬層的絕緣紙81環(huán)繞。這樣一來，爪形磁極部分73和磁場線圈之間具有足夠的電絕緣，柱鐵芯7的空間能夠最大限度的利用，并且發(fā)電機的電力輸出能夠進(jìn)一步增大。不必使用粘合劑來固定磁場線圈8。這對于簡化的發(fā)電機結(jié)構(gòu)是有利的。
在本發(fā)明的實施例中，電壓調(diào)節(jié)裝置11中的晶體管與磁場線圈8的高電壓側(cè)相連。這樣一來，當(dāng)車輛不工作時，磁場線圈8不承受電壓。因此磁場線圈8和柱鐵芯7之間的電蝕可以防止。具有山形的磁場線圈8不會破壞周圍的特性，而且相應(yīng)的占有量增大。
如圖17所示，電樞線圈33通過U形電導(dǎo)體231有規(guī)則的排列而形成。形成線圈端的電導(dǎo)體231以有規(guī)則的間隔在定子鐵芯32的圓周方向上排列，從而使得電樞線圈33具有一個圖案。
在已有結(jié)構(gòu)中，在定子上的一個具有不同相位的電樞線圈的線圈端彼此在徑向方向上部分疊加，并且線圈端的徑向厚度必須很小，以在發(fā)電機殼體內(nèi)放置具有電樞線圈的定子。相應(yīng)地，在已有結(jié)構(gòu)中，線圈端的軸向高度通常設(shè)置得大，線圈端因此被制成一個平板形，而且其徑向厚度設(shè)置得小。這樣一來，在已有結(jié)構(gòu)中，線圈端的高度必須等于或大于一給定值。其結(jié)果是，在已有結(jié)構(gòu)中，隨著定子鐵芯軸向長度的增大，定子的軸向長度增大，在不改變軸向空間的情況下，很難在發(fā)電機殼體內(nèi)放置定子。
另一方面，在本發(fā)明的實施例中，如圖17所示，線圈端在軸向的厚度相同，而且線圈端的高度可以小于已有結(jié)構(gòu)中的線圈端的高度。相應(yīng)地，定子鐵芯32的軸向長度L1能夠大于已有結(jié)構(gòu)中的此值，同時發(fā)電機1的殼體4保持不變。因此，發(fā)電機1的參數(shù)能夠設(shè)置在前面所提到的最佳范圍內(nèi)，而不受發(fā)電機1殼體4的限制。其結(jié)果是，可能提供一個緊湊的發(fā)電機結(jié)構(gòu)和一個高的發(fā)電機電力輸出。與此同時，線圈長度可以縮短，定子鐵芯的軸向長度L1能夠在不增大電樞線圈的磁阻的情況下增大。因而可以避免銅損的增加，并因此可得到發(fā)電機1的高效能和高冷卻性能。
在本發(fā)明的實施例中，定子鐵芯32的軸向長度L1和柱鐵芯7圓柱部分71的軸向長度L2的比值“L1/L2”在1.25-1.75的范圍內(nèi)。此外，圓柱部分71的外徑R2和爪形磁極部分73的外徑R1的比值“R2/R1”設(shè)置在0.54-0.60的最佳范圍內(nèi)。而且爪形磁極部分73基部的厚度X1和撥叉部分72的厚度X2的比值“X1/X2”在0.5-0.9范圍內(nèi)。如圖10和13所示，為了提供穩(wěn)定的并且高的每單位重量的發(fā)電機的電力輸出，比值“L1/L2”最好設(shè)置在1.45-1.55的范圍內(nèi)，比值“R2/R1”最后設(shè)置在0.54-0.58的范圍內(nèi)，比值“X1/X2”最后設(shè)置在0.6-0.87的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的實施例中，磁場線圈8具有2.3Ω的磁阻。即使磁場線圈8的磁阻不是2.3Ω，原理也是一樣的，而且也可得到相同的結(jié)果，只是線圈“AT”變化(即，只是磁場線圈8的尺寸發(fā)生變化)。
一個磁場線圈的磁阻的通常范圍受車用空冷發(fā)電機的冷卻效能的限制。設(shè)計在12V電壓下工作的發(fā)電機的線圈磁阻的通常范圍在1.2Ω-3.6Ω之間。設(shè)計在24V電壓下工作的發(fā)電機的線圈磁阻的通常范圍在4.8Ω-14.4Ω之間。
當(dāng)磁場線圈8的磁阻在上述的通常范圍內(nèi)時，本發(fā)明實施例的參數(shù)設(shè)置范圍是有效的。
在本發(fā)明的實施例中，爪形磁極部分73的外徑R1等于92mm。即使當(dāng)爪形磁極部分73的尺寸發(fā)生變化，也可得到同樣好的結(jié)果。當(dāng)爪形磁極部分73的外徑R1設(shè)置在70mm-110mm范圍內(nèi)時，本發(fā)明實施例的參數(shù)設(shè)置范圍是有效的。
在本發(fā)明的實施例中，轉(zhuǎn)子3的柱鐵芯的個數(shù)是12。即使當(dāng)轉(zhuǎn)子3的柱鐵芯的個數(shù)等于其它值，例如14或16，也可得到同樣好的結(jié)果。
權(quán)利要求
1．一種車用發(fā)電機，包括一個磁場轉(zhuǎn)子，包括一個Lundel型鐵芯和一個位于Lundel型鐵芯上的磁場線圈，該Lundel型鐵芯具有一個圓柱部分，一個撥叉部分，以及一個爪形磁極部分，該磁場線圈位于該圓柱部分上，該撥叉部分由該圓柱部分徑向向外延伸，該爪形磁極部分和該撥叉部分相連，以便形成環(huán)繞該磁場線圈；以及一個定子，該定子放置在該爪形磁極部分的徑向外部，并且和該爪形磁極部分相對，該定子包括一個多層鐵芯以及一個位于多層鐵芯上的電樞線圈；其中，該定子的多層鐵芯的軸向長度L1和該Lundel型鐵芯的該圓柱部分的軸向長度L2的比值在1.25-1.75的范圍內(nèi)，該Lundel型鐵芯的該圓柱部分的外徑R2和該Lundel型鐵芯的該爪形磁極部分的外徑R1的比值在0.54-0.60的范圍內(nèi)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機，其特征在于該爪形磁極部分基部的徑向厚度X1和該撥叉部分的軸向厚度X2的比值在0.5-0.9的范圍內(nèi)。
3．一種如權(quán)利要求1或2中任一所述的發(fā)電機，其特征在于磁場線圈的軸向橫截面相對于一軸向中心大體上對稱，并且具有一個山形，從而使得一部分磁場線圈的外徑大于鄰近軸向中心處的磁場線圈部的外徑。
4．一種如權(quán)利要求3所述的發(fā)電機，還包括一個環(huán)繞該磁場線圈的樹脂浸漬層，該磁場線圈通過該樹脂浸漬層與該爪形磁極部分的一個內(nèi)圓周面相接合。
5．一種如權(quán)利要求1-4中任一所述的發(fā)電機，還包括一個磁場電流調(diào)節(jié)裝置，該裝置包括一個與該磁場線圈的高電壓側(cè)相連的晶體管。
6．一種如權(quán)利要求1-5中任一所述的發(fā)電機，其特征在于該多層鐵芯具有凹槽，該電樞線圈具有許多電導(dǎo)體，其中至少具有一對相對于凹槽的縱深方向彼此電絕緣的電導(dǎo)體，并且其被分割成放置在該凹槽縱深區(qū)域的外層和放置在該凹槽開口側(cè)的內(nèi)層，在不同凹槽的外層及內(nèi)層的電導(dǎo)體串聯(lián)連接。
全文摘要
一種結(jié)構(gòu)緊湊的大電力車用發(fā)電機,包括定子和轉(zhuǎn)子,可在不減小線圈磁阻或不用磁鐵情況下有良好冷卻性能、效率及低成本。轉(zhuǎn)子包括Lundel型鐵芯和其上的磁場線圈。該鐵芯有圓柱(71)、撥叉(72)和爪形磁極部分(73)。磁場線圈位于圓柱部分上。撥叉部分由圓柱部分徑向向外延伸。爪形磁極部分和撥叉部分相連,并環(huán)繞磁場線圈。定子包括多層鐵芯(32),其軸向長度L1和圓柱部分軸向長度L2的比值在1.25—1.75。圓柱部分外徑R2和爪形磁極部分外徑R1的比值在0.54—0.60。
文檔編號H02K9/04GK1208277SQ9810972
公開日1999年2月17日 申請日期1998年5月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月26日
發(fā)明者梅田敦司, 志賀孜, 草瀨新 申請人:株式會社電裝