CN101331668B

CN101331668B - 旋转电机

Info

Publication number: CN101331668B
Application number: CN2006800473225A
Authority: CN
Inventors: 米谷晴之; 柏原利昭
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: CN101331668A; WO2007088598A1; JPWO2007088598A1; KR101096389B1; KR20080063826A; EP1981154A1; EP1981154B1; US8736131B2; EP1981154A4; US20090267440A1

Abstract

本发明得到能够减少12f激振力、抑制怠速状态下产生的刺耳的2000Hz附近的电磁噪声的旋转电机。在本发明中，电枢绕组具有第1及第2三相绕组，第1三相绕组是将其各相绕组进行△联接而构成，第2三相绕组是将其各相绕组与△联接的第1三相绕组的各输出端串联连接、对第1三相绕组进行Y联接而构成。然后，第1及第2三相绕组的各绕组在各相电流互相具有相位差的状态下卷绕安装在定子铁心上。再有，定子的相邻槽开口部的中心线间的角度为不等间距，第1三相绕组与第2三相绕组的匝数比在1.25～2.25的范围内。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及轿车及卡车等上安装的发电机、电动机及发电电动机等的旋转电机。

背景技术

近年来，对于车辆用交流发电机，在车辆发动机室越来越狭小的内部，它的安装空间已没有多余的地方，另外，因车辆负荷增大，要求提高发电输出。另外，在车内外，降低噪声的要求都很高，发动机噪声不断降低。但是，为了对车辆的电负载供电，始终在进行发电运转的车辆用交流发电机的噪声成为问题。车辆用交流发电机在从低速到高速的比较大的转速范围内被驱动旋转，其风噪声及电磁噪声成为问题。特别产生的问题是，从怠速状态到常用区域的发动机转速低的区域中的车辆用交流发电机的电磁噪声的频率、与发动机的噪声及发动机辅机的噪声的频率不同，对人们的听觉也很刺耳，可听到不舒服的噪声。

与这样的要求相对应，以往提出了降低电磁噪声的各种方法。例如，在每极每相的定子槽数为2的旋转电机中，将电机绕组进行YΔ混合联接，而且以等间距(槽开口部的间距为电角度30°)形成定子槽，以降低旋转电机内的高次谐波磁通，降低因高次谐波磁通产生的电磁激振力(例如，参照专利文献1)。专利文献1：特许第3633494号公报

在上述以往的旋转电机中，若设Δ联接的匝数/Y联接(星形联接)的匝数＝√3，则旋转电机内的空间磁通势5次谐波及空间磁通势7次谐波理论上为0，以它为根源产生的电磁激振力(称为6f激振力，f：基频)消失。这里，绕组的匝数在物理上必须是整数，难以使Δ联接的匝数/Y联接的匝数成为√3。因此，必须使该匝数比接近√3。另外，在这种情况下，关于旋转电机内产生的空间11次磁通势高次谐波及空间13次磁通势高次谐波没有减少。因此，即使采用YΔ混合联接，由这些高次谐波产生的电磁激振力(称为12f激振力)也没有减少。

另外，在车辆高速运转时，由于风声或发动机声是噪声的绝大部分，因此即使例如由高速区的车辆用交流发电机或发电电动机产生的电磁噪声增大，作为用户来说也不是刺耳的声音。即，旋转电机中要求解决的问题是降低低速运转时产生的电磁噪声。具体来说，在车辆停止的状态(怠速状态)下产生的2000Hz附近的电磁噪声成为最刺耳的噪声。

另外，怠速状态下的发动机转速为700rpm左右，由于发动机的曲柄皮带轮与车辆用交流发电机的皮带轮之比约为2～2.5，因此怠速状态下的车辆用交流发电机的转速约为1500～1800rpm。然后，如果车辆用交流发电机的极数为12，则基频为150～180Hz，如果极数为16，则基频为200～240Hz。因此，6f激振力的频率，在12极时为900～1080Hz，在16极时为1200～1440Hz。与比相对应，12f激振力的频率，在12极时为1800～2160Hz，在16极时为2400～2880Hz。

这样可知，怠速状态下的刺耳的2000Hz附近的电磁噪声是由12f激振力产生的。但是，在以往的旋转电机中存在的问题是，由于用YΔ混合联接构成电枢绕组，因此虽然能够减少空间5次谐波及空间7次谐波，但不能减少空间11次磁通势高次谐波及空间13次磁通势高次谐波(12f激振力)，不能抑制怠速状态下产生的刺耳的2000Hz附近的电磁噪声。

本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于得到能够减少12f激振力、抑制怠速状态下产生的刺耳的2000Hz附近的电磁噪声的旋转电机。

发明内容

本发明的旋转电机，包括：具有定子铁心、以及安装在该定子铁心上的电枢绕组的定子，其中，前述电枢绕组具有多个三相绕组，一个前述三相绕组是将该三相绕组的各相绕组进行Δ联接而构成，其它的前述三相绕组是将该三相绕组的各相绕组与Δ联接的前述三相绕组的各输出端串联连接、对Δ联接的前述三相绕组进行Y联接而构成。然后，前述多个三相绕组的各绕组在各相电流互相具有相位差的状态下卷绕安装在前述定子铁心上。再有，前述定子的相邻槽开口部的中心角度(中心线间的角度)为不等间距，Δ联接的前述三相绕组与Y联接的前述三相绕组的匝数比，在1.25～2.25的范围内。

根据本发明，由于电枢绕组是将多个三相绕组进行YΔ混合联接而构成，因此能够互相抵消是磁噪声的主要产生原因的定子的反作用磁通势的5次谐波分量及7次谐波分量。另外，由于使相邻槽开口部的中心角度(中心线间的角度)为不等间距，因此能够减少12f激振力，抑制怠速附近产生刺耳的电磁噪声。再有，由于用1组全波整流电路即可，因此能够力图使装置小型化。

附图说明

图1所示为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机的纵向剖视图。

图2所示为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的转子的立体图。

图3所示为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的定子的立体图。

图4为说明根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的电枢绕组的构成的立体图。

图5为说明根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的定子铁心的构成的主要部分端面图。

图6为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的电路图。

图7所示为空间11次及空间13次的高次谐波磁通与不等间距角度的关系图。

图8所示为12f激振力与不等间距角度的关系图。

图9所示为考虑到定子槽高次谐波的影响时的空间11次及空间13次的高次谐波磁通与不等间距角度的关系图。

图10所示为考虑到定子槽高次谐波的影响时的12f激振力与不等间距角度的关系图。

图11所示为6f激振力与匝数比与不等间距角度的关系图。

图12所示为考虑到定子槽高次谐波的影响时的6f激振力与匝数比与不等间距角度的关系图。

图13为说明根据本发明实施形态2的车辆用交流发电机中的定子的构成的说明图。

图14为说明根据本发明实施形态2的车辆用交流发电机中的电枢绕组的构成的主要部分立体图。

图15为根据本发明实施形态2的车辆用交流发电机中的电路图。

具体实施方式

实施形态1

图1所示为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机的纵向剖视图，图2所示为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的转子的立体图，图3所示为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的定子的立体图，图4为说明根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的电枢绕组的构成的立体图，图5为说明根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的定子铁心的构成的主要部分端面图，图6为根据本发明实施形态1的车辆用交流发电机中的电路图。

在图1至图4中，车辆用交流发电机(以下，简称为发电机)具有：由分别为近似碗状的铝制的前端盖1及后端盖2构成的机壳3；由该机壳3支持并可自由旋转的轴4；固定在向机壳3的前端侧延伸出的轴4的端部上的皮带轮5；固定在轴4上、放置机壳3内的转子6；固定在该转子6的轴向两端面的风扇7；围绕在转子6的外周那样地固定在机壳3的内壁面的定子8；固定在轴4的后端侧并向转子6供给电流的滑环9；在该滑环9上滑动那样地配置在机壳3内的一对电刷10；放置该电刷10的刷握11；与定子8电连接并将定子8中产生的交流进行整流为直流的整流器12；与刷握11嵌合的散热片17；以及与该散热片17粘接并调节定子8中产生的交流电压的大小的调节器18。

转子6具有：流过电流而产生磁通的励磁绕组13；以及覆盖该励磁绕组13那样地设置并利用该磁通形成磁极的一对第1及第2磁极心体20及21。第1及第2磁极心体20及21是铁制的，分别在外周边缘部沿圆周方向以等角间距设置6个爪形磁极22及23，这些爪形磁极22与23互相咬合相对那样地固定在轴6(4)上。然后，在相邻的爪形磁极22与23之间，形成间隙24，使得磁通在爪形磁极22与23之间没有泄漏。另外，该间隙24还起到作为冷却励磁绕组13用的冷却风通路的功能。

定子8具有：圆筒状的定子铁心15；以及安装在定子铁心15上的电枢绕组16。

在定子铁心15上，按照每极每相为2的比例沿圆周方向以等角间距设置沿轴向延伸的槽15a，使槽开口部15d面向内周侧。即，在本实施形态1中，由于爪形磁极22及23的总数为12，因此在定子铁心15上形成72个槽15a(槽编号从1号到72号的槽15a)。另外，槽15a如图5所示形成，即，改变在T形铁心15b的前端形成的边缘部15c的圆周方向的延伸长度，使得相邻的槽开口部15d的中心线A之间的角度交替重复为机械角度的5.33°及4.67°。另外，中心线A是连接槽开口部15d的圆周方向宽度的中心与定子铁心15的轴心的直线，机械角度的5.33°及4.67°相当于电角度的32°及28°。即，定子铁心15的槽开口部15d形成为不等间距，使得交替取得电角度为32°及28°。

电枢绕组16由6个相绕组30构成。各相绕组30由2个波绕组31A及31B构成。而且，各波绕组31A及31B如图4所示，是将绝缘覆盖的由截面圆形的铜线材形成的导线32卷绕规定匝而构成波状图形，该波状图形由每隔6个槽间距排列的槽放置部31a、以及将相邻的槽放置部31a的端部彼此之间关于轴向交替连接的过渡部31b构成。然后，将2个波绕组31A及31B沿圆周方向错开6个槽间距重叠，将波绕组31A的末端32b与波绕组31B的末端32b进行连接，构成相绕组30。这样构成的相绕组30如图3所示，将槽放置部31a沿径向重叠，放置在各槽15a内，卷绕安装在定子铁心15上。然后，过渡部31b通过定子铁心15相对于轴向配置。

然后，6个相绕组30分别卷绕安装在槽编号1号、7号、…、67号的第1槽组；槽编号2号、8号、…、68号的第2槽组；槽编号3号、9号、…、69号的第3槽组；槽编号4号、10号、…、70号的第4槽组；槽编号5号、11号、…、71号的第5槽组；以及槽编号6号、12号、…、72号的第6槽组中。这里，为了方便起见，将卷绕安装在第1至第6槽组的相绕组30分别作为U、X、V、Y、W及Z相绕组30_U、30_X、30_V、30_Y、30_W、30_Z。

另外，由卷绕安装在第1、第3及第5槽组中的U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W构成的第1三相绕组，和由卷绕安装在第2、第4及第6槽组中的X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z构成的第2三相绕组，具有电角度为32°的相位差。另外，U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W具有电角度为60°的相位差，X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z具有电角度为60°的相位差。

然后，将U相绕组30_U的波绕组31A的始端32a与V相绕组30_V的波绕组31B的始端32a进行连接，将V相绕组30_V的波绕组31A的始端32a与W相绕组30_W的波绕组31B的始端32a进行连接，将W相绕组30_W的波绕组31A的始端32a与U相绕组30_U的波绕组31B的始端32a进行连接。通过这样，构成将U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W进行Δ联接而形成的第1三相绕组。

另外，将X相绕组30_X的波绕组31B的始端32a与U相绕组30_U和V相绕组30_V的连接部进行连接，将Y相绕组30_Y的波绕组31B的始端32a与V相绕组30_V和W相绕组30_W的连接部进行连接，将Z相绕组30_Z的波绕组31B的始端32a与W相绕组30_W和U相绕组30U的连接部进行连接。通过这样，将X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z与第1三相绕组的各输出端串联连接，构成对第1三相绕组进行Y联接而形成的第2三相绕组。

通过这样，如图6所示，能够得到将U、X、V、Y、W及Z相绕组30_U、30_X、30_V、30_Y、30_W、30_Z进行YΔ混合联接而构成的电枢绕组16。然后，将X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z的波绕组31A的始端32a与整流器12连接。

在这样构成的发电机中，从电池(未图示)通过电刷10及滑环9对励磁绕组13供给电流。通过这样，产生磁通，将第1磁极心体20的爪形磁极22磁化为N极，将第2磁极心体21的爪形磁极23磁化为S极。另外，利用发动机驱动皮带轮5旋转，转子6与轴4一起旋转。通过这样，对电枢绕组16产生旋转磁场，产生电动势。该交流电动势通过用1组全波整流电路构成的整流器12，进行整流形成为直流，同时它的电压值的大小利用调节器进行调节，对电池充电。

在这样构成的发电机中，槽开口部15d以交替重复电角度32°及28°的不等间距形成，由U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W形成的第1三相绕组，和由X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z形成的第2三相绕组，以32°电角度的相位差安装在定子铁心15上。再有，Δ联接的第1三相绕组与Y联接的第2三相绕组的匝数比为1。

以下，说明采用上述构成的意义。

首先，在发电时，在转子6与定子8之间，通过由转子6的爪形磁极22及23产生的包含高次谐波的旋转磁场、与从电枢绕组16产生的交流电流而产生的包含高次谐波的交流磁场的相互作用，产生电磁吸引力。该电磁吸引力成为转子6的爪形磁极22及23和定子铁心15的电磁激振力，引起振动及电磁噪声。

这里，在槽15a的数量是磁极数的6倍、而且电枢绕组16是将2个三相绕组进行YΔ混合联接而构成的发电机的情况下，本发明者进行了电磁场分析，从而对于上述电磁激振力进行了分析，得到的结果是，发电机中的电磁声音的产生是由每1转的极数为3倍次及6倍次的电磁激振力引起的。即可知，在设输出电流的基频为f时，电磁噪声的产生是由6f频率、12f频率的电磁激振力引起的。

成为12f激振力的原因的空间11次及空间13次的高次谐波磁通与YΔ的匝数比无关，相对于发电机内的基波的比例是一定的。图7所示为空间11次及空间13次的高次谐波磁通的大小相对于不等间距角度的相对值。从图7可知，在槽开口部的间距为等间距(电角度30°)时，磁通为最大。

接着，图8所示为因该空间11次及空间13次的磁通势高次谐波而产生的12f激振力的大小相对于不等间距角度的相对值。但是，这里为了简单起见，是将空间11次磁通势高次谐波产生的12f激振力与空间13次磁通势高次谐波产生的12f激振力作为互相增强进行计算的。从图8可知，12f激振力也在槽开口部的间距为等间距(电角度30°)时为最大。

同样，图9所示为考虑到定子槽高次谐波的影响时的空间11次及空间13次的高次谐波磁通的大小相对于不等间距角度的相对值。再有，图10所示为由此而产生的12f激振力的大小相对于不等间距角度的相对值。可知，即使考虑到定子槽高次谐波的影响时，磁通及12f激振力也在槽开口部的间距为等间距(电角度30°)时为最大。

根据这些结果可知，为了降低怠速状态下的刺耳的电磁噪声，有效的方法是使定子的槽开口部的间距形成为不等间距。

然后，通过采用YΔ混合联接，虽然6f激振力与12f激振力相比可大大降低，但从电磁噪声的观点，希望尽可能降低。特别是，由于6f激振力随YΔ的匝数比及不等间距角度而变化，因此关于匝数比要注意。

图11所示为因空间5次及空间7次磁通势高次谐波而产生的6f激振力的相对于匝数比及不等间距角度的影响。图12所示为考虑到定子槽高次谐波的影响时的6f激振力的相对于匝数比及不等间距角度的影响。从图11及图12可知，如果Δ联接的匝数/Y联接的匝数(＝匝数比)在1.25～2.25的范围内，则与不等间距角度无关，能够降低6f激振力。

在这样构成的发电机中，将U、V及W相绕组进行Δ联接，构成第1三相绕组，将X、Y及Z相绕组与第1三相绕组的各输出端串联连接，构成对第1三相绕组进行Y联接而形成的第2三相绕组，槽开口部15d形成为不等间距，将第1三相绕组与第2三相绕组的匝数比设在1.25～2.25的范围内。

因此，即使具有用1组全波整流电路构成的整流器12，也由于能够减少6f频率、及12f频率的电磁激振力，因此能够抑制怠速状态下产生的刺耳的2000Hz附近的电磁噪声，同时与用2组全波整流电路构成的整流器合成输出的情况相比，能够力图使装置小型化。

实施形态2

图13为说明根据本发明实施形态2的车辆用交流发电机中的定子的构成的说明图，图14为说明根据本发明实施形态2的车辆用交流发电机中的电枢绕组的构成的主要部分立体图，图15为根据本发明实施形态2的车辆用交流发电机中的电路图。

在图14中，相绕组30A由2个波绕组40A及40B构成。波绕组40A及40B除了导线的截面形状及匝数以外，与图4所示的波绕组31A及31B相同构成。即，波绕组40A及40B是将绝缘覆盖的由铜线材形成的导线41卷绕规定匝而构成波状图形，该波状图形由每隔6个槽间距排列的槽放置部40a、以及将相邻的槽放置部40a的端部彼此之间关于轴向交替连接的过渡部40b构成。然后，导线41将圆形截面的导线的一部分进行压力加工，变形为扁平的矩形截面。即，将槽放置部40a制成扁平的矩形截面，将过渡部40b制成圆形截面。然后，将2个波绕组40A及40B沿圆周方向错开6个槽间距重叠，放置在各槽15a内，卷绕安装在定子铁心15上。

这样，各相绕组30A的槽放置部40a如图13所示，将矩形截面的长边沿圆周方向排齐，沿径向排成1排和6层，装入槽15a内。另外，槽开口部15d形成为不等间距。

然后，对于U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W，分别将波绕组40A及40B的末端彼此之间连接，构成8圈的1个串联电路。另外，对于X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z，分别将波绕组40A及40B的始端彼此之间连接，再将波绕组40A及40B的末端彼此之间连接，构成4圈的2个并联电路。

然后，将U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W进行Δ联接，构成第1三相绕组。另外，将X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z与第1三相绕组的各输出端串联连接，将第2三相绕组对第1三相绕组进行Y联接。

通过这样，如图15所示，能够得到将U、X、V、Y、W及Z相绕组30_U、30_X、30_V、30_Y、30_W、30_Z进行YΔ混合联接而构成的电枢绕组16A。然后，将X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z的各输出端与整流器12进行连接。

根据本实施形态2，由于装在槽15a内的导线41的数量在全部槽15a的各槽15a中相同，因此能够以同一构成的绕组、即一种相绕组30A制成U、X、V、Y、W及Z相绕组30_U、30_X、30_V、30_Y、30_W、30_Z，提高生产率。

另外，由于将导线41的槽放置部40a制成矩形截面形状，因此能够有效利用槽15a内，即提高导线41的槽满率，力图实现小型高输出。

另外，槽开口部15d以交替重复电角度32°及28°的不等间距形成，由U、V及W相绕组30_U、30_V、30_W形成的第1三相绕组，和由X、Y及Z相绕组30_X、30_Y、30_Z形成的第2三相绕组，以32°电角度的相位差安装在定子铁心15上。再有，由于Δ联接的第1三相绕组的各相绕组为8圈，Y联接的第2三相绕组的各相绕组为4圈，因此两者的匝数比为2。因而，在本实施形态2中，也与上述实施形态1相同，能够减少12f激振力，抑制怠速状态下产生的刺耳的2000Hz附近的电磁噪声。

这里，在YΔ混合联接中，由于将Y联接与Δ联接的输出端串联连接，因此Y联接部的导体中的发热量相对于Δ联接部的导体中的发热量，为√3倍。因此，如果使Y联接部的导体的截面积相对于Δ联接部的导体的截面积为√3倍，则能够抑制Y联接部的导体中的发热量的增加。但是，在全部导线的截面积相同时，通过使Y联接部为7个并联电路，使Δ联接部为4个并联电路，也能够使Y联接部的导体的截面积相对于Δ联接部的导体的截面积为接近√3倍，但绕组结构及连接结构极其复杂。

根据本实施形态2，由于Δ联接的第1三相绕组的各相绕组构成为1个串联电路，Y联接的第2三相绕组的各相绕组构成为2个并联电路，因此能够用同一直径的导线，以简单的联接，使Y联接部的导体的截面积相对于Δ联接部的导体的截面积为2倍。因此，由于能够不采用复杂的绕组结构及联接结构，使Y联接部的导体的截面积相对于Δ联接部的导体的截面积为接近√3倍，因此能够提高旋转电机的生产率。再有，由于抑制了Y联接部的导体中的发热量的增加，因此能够使Δ联接部与Y联接部中的发热均匀，抑制导线的绝缘膜的温度上升，提高绝缘耐久性。

另外，在上述实施形态2中，只仅将导线的槽放置部制成矩形截面形状，但也可以将全部导线、即槽放置部及过渡部制成矩形截面形状。

另外，在上述各实施形态中，是作为适用于车辆用交流发电机的形态进行说明的，但本发明也适用于车辆用发电电动机及车辆用交流电动机的旋转电机，具有同样的效果。

另外，在上述各实施形态中，是作为适用于极数为12、槽数为72的车辆用交流发电机的形态进行说明的，但极数及槽数不限定于此，例如也可以是极数为16、槽数为96的车辆用交流发电机。

另外，在上述各实施形态中，是作为适用于以每极每相为2的比例制成定子槽的车辆用交流发电机的形态进行说明的，但本发明适用于以每极每相为n(这里，n为2以上的整数)的比例制成定子槽的车辆用交流发电机。在这种情况下，电枢绕组由n组三相绕组构成，将一组三相绕组进行Δ联接而构成，将剩余组的三相绕组与Δ联接的三相绕组的输出端串联连接。

Claims

1.一种旋转电机，包括：具有定子铁心、以及安装在该定子铁心上的电枢绕组的定子，其特征在于，

所述电枢绕组具有多个三相绕组，

一个所述三相绕组是将该三相绕组的各相绕组进行△联接而构成，

其它的所述三相绕组是将该三相绕组的各相绕组与△联接的所述三相绕组的各输出端串联连接、对△联接的所述三相绕组进行Y联接而构成，

所述多个三相绕组的各绕组在各相电流互相具有相位差的状态下，卷绕安装在所述定子铁心上，

所述定子的相邻槽开口部的中心线间的角度为不等间距，

△联接的所述三相绕组与Y联接的所述三相绕组的匝数比，在1.25～2.25的范围内，

装在槽内的导体数在全部槽的各槽中相同。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

将导体的装在槽内的部位制成矩形截面形状。

3.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

△联接的所述三相绕组与Y联接的所述三相绕组的匝数比为2，△联接的所述三相绕组的各相绕组构成为1个串联电路，Y联接的所述三相绕组的各相绕组构成为2个并联电路。