CN102420472B

CN102420472B - 一种车辆用交流发电机

Info

Publication number: CN102420472B
Application number: CN2011104376195A
Authority: CN
Inventors: 竺韵德; 王卫
Original assignee: Nikko (ningbo) Motor Co Ltd; NINGBO YUNSHENG AUTO ELECTRIC Inc; Ningbo Yunsheng Co Ltd
Current assignee: NINGBO YUNSHENG AUTO ELECTRIC Inc; RIXING (NINGBO) MOTOR CO Ltd; Ningbo Yunsheng Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: CN102420472A

Abstract

一种车辆用交流发电机，具有：励磁线圈、转子芯和定子铁芯；转子芯，其具有伦德尔型铁芯，该伦德尔型铁芯具有卷装该励磁线圈的轭部，该轭部呈圆筒状，从该轭部的轴方向位置向外周方向扩大的轭铁部，与该轭铁部连接并且形成为包围所述励磁线圈的爪状磁极部；定子铁芯，在转子芯爪状磁极部的外周对向配置，由层压铁芯和衔铁线圈构成；所述转子芯的轭部外半径设为R2，爪状磁极部分的外半径设为R3，R2/R3的比率为0.53～0.51；所述转子芯轭铁部的剖面设为S2，爪状磁极部的根部剖面设为S3，S3/S2的比率为0.90～0.98，所述定子铁芯的轴方向长度设为L1，转子芯轭部的长度设为L2，L1/L2的比率大于1。

Description

一种车辆用交流发电机

技术领域

本发明涉及一种搭载在乘用车、卡车上的车辆用交流发电机。

背景技术

近年来，对于汽车用交流发电机提出了小型化并且在相同体积规格下改善发电能力的要求。也就是说，要求以合理的价格提供一种体积小并且输出高的车辆用交流发电机。

一般来说，如图1所示，车辆用交流发电机包括励磁线圈2、定子铁芯3和转子芯2。

转子芯具有伦德尔型铁芯构成，如图2所示，该伦德尔型铁芯含有轭部21、轭铁部22和爪状磁极部24。在此转子芯中流动的磁通Φ从轭部流到轭铁部、爪状磁极部，并且磁通从爪状磁极部流入定子铁芯。普通发电机的全长由转子的沿轴向方向的长度(下面称为轴向长度)确定。相应地，为了设计结构紧凑的发电机，希望转子的轴向长度减小。

众所周知，由转子芯产生的磁通φ表示为：

（转子发生的磁通Φ）＝（励磁线圈 AT）/(各部（轭、轭铁、爪状磁极、空隙、定子铁芯）磁阻的和）。

其中“A” 表示流过磁场线圈的电流；“T”表示磁场线圈的圈数。

为了通过增大转子产生的磁通量来提高输出，必须减小磁阻或增大励磁线圈的AT。

在图2所示的现有结构中，转子芯各部的磁路剖面S1、S2、S3优选为基本相同，转子芯的轭部分的轴向长度L2等于定子铁芯的轴向长度L1。当需要增大发电机的电力输出时，需要增大转子芯产生的磁通量。为了实现增大转子芯的磁通量，需要增大线圈“AT”(即，加大磁场线圈)的值或减小磁阻。在不改变转子尺寸的情况下，如果要增加产生的磁通量，则磁场线圈的横截面面积需增大，以便增强线圈“AT”，同时转子磁路相应部分的横截面面积将减小。但如果要减小磁阻，则磁路横截面面积需要增大，以便减小磁阻，同时磁场线圈的横截面面积将减小，因此现有结构需要在两种需求之间考虑折中选择。

在图3所示的现有结构中，转子芯的各部的磁路剖面S1等于S2、S3远小于S2，转子芯轭部分的轴向长度L2等于定子铁芯的轴向长度L1，由于S3远小于S2，虽可以得到较大的磁场线圈的横截面面积，但爪状磁极部分的基部S3磁饱和，因此磁通量沿轴向泄漏，磁通量的泄漏导致到达定子铁芯的磁通量减少，而定子铁芯中减少的磁通量降低了发电机的电力输出。

在图4所示的现有结构中，转子芯的各部的磁路剖面S1、S2、S3优选为基本相同，转子芯轭部分的轴向长度L2小于定子铁芯的轴向长度L1，并且轭铁部分和定子铁芯相对，部分磁通量直接由轭铁部分流向定子铁芯，这虽然增加了流向定子铁芯的磁通，但磁路剖面S1、S2、S3基本相等，使得增强线圈“AT”仍然比较困难。

在图5所示的现有结构中，转子芯各部的磁路剖面S1等于S2、S3远小于S2，转子芯轭部分的轴向长度L2小于定子铁芯的轴向长度L1，由于S3远小于S2，可以得到较大的磁场线圈的横截面面积，但爪状磁极部分的基部磁饱和。因此，尽管部分磁通量可以直接由轭铁部分流向定子铁芯，但是爪状磁极部分的基部的磁阻突然增大，从而使得流向定子铁芯的磁通总量明显受到限制。

在图6所示的现有结构中，转子芯的各部的磁路剖面S1等于S2、S3等于S2的0.47～0.8（由X₁/X₂=0.5～0.9换算得出），转子芯轭部分的轴向长度L2小于定子铁芯的轴向长度L1，同样由于S3大大小于S2，虽然可以得到较大的磁场线圈的横截面面积，但爪状磁极部分的基部仍趋于磁饱和。因此，尽管部分磁通量可以直接由轭铁部分流向定子铁芯，但是爪状磁极部分的基部的磁阻仍然很大，导致流向定子铁芯的磁通总量降低。

在现有的磁场线圈空间中，提高磁场线圈“AT”，如磁场电流增大，磁场线圈产生的热量增加，因此造成对其冷却的困难，产生励磁损失增加，降低电力输出效率。为此，有以下方法，即利用自融电线、使用高导热性树脂线圈架等，改善励磁线圈的冷却特性。

另外，还有采用不改变转子芯的尺寸和形状，减小空气间隙或增大定子铁芯的方法，以减小空气间隙和定子铁芯的磁阻为目的，但是，定子铁芯在整个磁阻中所占的比率小于转子芯，此外空气间隙的大小是根据机械方面的限制条件来决定，而不是根据转子和定子的工作精度、最高转速等电磁方面的限制条件，因此难以实现。

还有，用一种磁铁插入爪状磁极部分之间的区域，以防止磁通量的泄漏，从而增加转子芯中的磁通量的总量。在这种情况中，由于使用磁铁和夹持磁铁的装置而造成成本提高，同时由于有离心力的作用，磁铁有可能在高转速下飞出原来的位置。

发明内容

鉴于上述存在的问题及转子芯和定子铁芯的磁路具有磁饱和的特性，并且发电机重量与定子铁芯的高度密切相关，与通过增大励磁线圈的空间来增加励磁线圈“AT”相比，本发明通过增大磁路的剖面来减小磁阻更能有效地增加流过定子铁芯的磁通量，采用转子芯轭部分的轴向长度L2小于定子铁芯的轴向长度L1并且适当限制定子铁芯的高度，同时，使用了转子芯各部分尺寸适当确定的设计，这些设计采用了协同效应，目的是为车辆提供一个结构紧凑的大电力发电机，其具有好的输出效能和低的成本。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种车辆用交流发电机，具有：励磁线圈、转子芯和定子铁芯；转子芯，其具有伦德尔型铁芯，该伦德尔型铁芯具有卷装该励磁线圈的轭部，该轭部呈圆筒状，从该轭部的轴方向位置向外周方向扩大的轭铁部，与该轭铁部连接并且形成为包围所述励磁线圈的爪状磁极部；定子铁芯，在转子芯爪状磁极部的外周对向配置，由层压铁芯和衔铁线圈构成；其特征在于：所述转子芯的轭部外半径设为R₂，爪状磁极部分的外半径设为R₃，R₂/R₃的比率为0.53～0.51；所述转子芯轭铁部的剖面设为S2，爪状磁极部的根部剖面设为S3，S3/S2的比率大于0.9，S3/S2的比率为0.90～0.98，所述定子铁芯的轴方向长度设为L1，转子芯轭部的长度设为L2，L1/L2的比率大于1。

上述L1/L2的比率更好为1.10～1.40，最好为1.26。

在本发明中，R₂/R₃的比率为0.53～0.51，可以提供一个比现有结构更大的励磁线圈的横截面面积，使得在不增大磁场电流的情况下提供一个结构紧凑，高效能的发电机。

在本发明中， S3/S2的比率为0.90～0.98，如0.93、0.95、0.97，爪状磁极部分的磁通量密度可以在一个最佳的范围内，同时，可以防止因S3过小而导致爪状磁极部分的磁饱和，降低发电机的电力输出。

在本发明中， L1/L2的比率大于1，最好设为 1.10～1.40，如1.26。磁通量能够直接从轭铁部分流入定子铁芯。

附图说明

图1是按照本发明的车辆用交流发电机的主要部分剖面图。

图2是在现有结构中的定子铁芯和转子芯间流动的磁通量示意图，其中转子铁芯的S1=S2=S3；L1=L2。

图3是在现有结构中的定子铁芯和转子芯间流动的磁通量示意图，其中转子芯的S1=S2、S3〈S2；L1=L2。

图4是在现有结构中的定子铁芯和转子芯间流动的磁通量示意图，其中转子芯的S1=S2=S3；L1〉L2。

图5是在现有结构中的定子铁芯和转子芯间流动的磁通量示意图，其中转子芯的S1=S2、S3〈S2；L1〉L2。

图6是在现有结构中的定子铁芯和转子芯间流动的磁通量示意图，其中转子芯的S1=S2、S3=0.47S2～0.80S2；L1〉L2。

图7是按照本发明定子铁芯和转子芯的等效磁路示意图。

图8是按照本发明车辆用交流发电机中转子芯的剖面图。

图9是图8从转子芯的圆柱部分方向看的视图。

图10是图8从转子芯的圆柱部分方向看的放大视图。

图11是S3/S2的比率为0.96时，每单位重量的发电机的电力输出和L1/L2比率之间关系的示意图。

图12是L1/L2的比率为1.26时，S3/S2的比率和磁阻大小之间关系的示意图。

图13是L1/L2的比率为1.26时，每单位重量的发电机的电力输出和S3/S2比率之间关系的示意图。

图14是R2/R3的比率为0.53时，每单位重量的发电机的电力输出和L1/L2比率之间关系的示意图。

图15是L1/L2的比率为1.26时，每单位重量的发电机的电力输出和R2/R3比率之间关系的示意图。

具体实施方式

参见图1，按照本发明的一个实施例的一个车用发电机包括后壳、皮带轮、前轴承、后轴承、电刷、滑环、冷却风扇、整流器、轴、电压调节装置、励磁线圈、转子芯和定子铁芯。定子铁芯用作一个电枢，转子芯用于产生磁场，转子芯包括呈圆柱形的轭部分，轭铁部分以及爪状磁极部分，壳体支撑定子铁芯及转子芯，整流器直接与定子相连，整流器将交流电转换为直流电，电压调节装置调节磁场电流以控制产生的电力，电压调节装置中的晶体管和磁场线圈的高电压侧相连，从而当发电机不工作时，磁场线圈可以不承受电压。转子芯和轴一同转动，轴和一个皮带轮相连，并且向车辆发动机(未示出)提供动力驱动并旋转。

下面参考图，对磁路进行详细的描述。转子芯的轭部外半径设为R₂，爪状磁极部分的外半径设为R₃；在将所述转子芯轭铁部的剖面设为S2，爪状磁极部的根部剖面设为S3；所述定子铁芯的轴方向长度设为L1，转子芯轭部的长度设为L2。

设转子芯磁极对数P为6对，X₂=13.5mm，R₃=50.15mm，发电机的空隙δ(定子铁芯2和转子芯3之间的空隙)等于通常所使用的值，即0.35mm，爪状磁极的结构为内径侧与外径侧相比出现等距缩小的情况下：

参考轭铁部分的横截面面积S2如下：

S2=W·X₂

W＝2Sin15⁰·πR₃/(2P)

其中“P”表示转子芯磁极对数

爪状磁极部根部的横截面面积S3如下：

S3=π{R₃ ² -（R₃-X₁）²}/(2P)

当X₁=0.5X₂时，S3/S2＝0.47

当X₁=0.9X₂时，S3/S2＝0.80

当X₁=X₂时，S3/S2＝0.90

如前所述，R₂/R₃的比率小于0.54，如0.53；可以提供一个比现有结构更大的励磁线圈的横截面面积，使得在不增大磁场电流的情况下提供一个结构紧凑且高效能的发电机。

在本发明中，如图9所示，例如：转子芯的磁极对数为6时，爪状磁极剖面积的单侧缩小为15度，X₁=X₂时，S3/S2为0.9以上，定子铁芯外径D₀为128mm，爪状磁极部分的R₃等于50.15mm。

在本发明中，如图10所示，例如：转子芯的磁极对数为6时，爪状磁极剖面积的单侧小于15度时，S3/S2为0.9以上，定子铁芯外径为128mm,爪状磁极部分的R₃等于50.15mm。

在本发明中，S3/S2的比率大于0.9，S3/S2的比率最好设为0.90～0.98，如0.93、0.95、0.97，这样爪状磁极部分的磁通量密度可以在一个最佳的范围内，同时，可以防止因S3过小而导致爪状磁极部分的磁饱和，降低发电机的电力输出。

在本发明中，L1/L2的比率大于1，最好为 1.10～1.40，如1.26，磁通量能够直接从轭铁部分流入定子铁芯，并且不使定子铁芯过长而加大发电机的重量，影响每单位重量的发电机电力输出。

图10是图8从转子芯的圆柱部分方向看的放大视图，所述爪状磁极剖面积的单侧缩小为a，通过a的改变来改变S3。

上述爪状磁极剖面积的单侧缩小优先为小于15度，最好为0。

本发明实施例的优点通过实验而得以证明。图12表示S3/S2与合成磁阻R的关系和实验结果，当S3/S2比率和L1/L2比率作为参数变化时，纵坐标表示合成磁阻R，横坐标表示S3/S2比率。可以充分地看出，通过扩大S3，合成磁阻R会大幅减少。特别是，L1/L2为1.26时效果明显。这表示，经过S3流入并且从爪状磁极部经过空隙流入定子的磁通量Φ1的爪状磁极部的磁阻极高，通过增加S3可有效地缓和此处的磁阻。如图所示将S3/S2设为0.9以上，就能够将合成磁阻R减少约 5%以上。再者L1/L2为1.26时即S3/S2为1.0时,磁阻可减少约 10%，因此能够提供磁通量增大并且输出高的交流发电机。

在图11中，纵坐标表示每单位重量的发电机电力输出。实验结果显示，当S3/S2等于0.96时，每单位重量的发电机电力输出和L1/L2比率之间的关系。

在图13中，纵坐标表示每单位重量的发电机电力输出。实验结果显示，当L1/L2比率为1.26时，每单位重量的发电机电力输出和S3/S2比率之间的关系。

在图14中，纵坐标表示每单位重量的发电机电力输出。实验结果显示，当R₂/R₃等于0.53，每单位重量的发电机电力输出和L1/L2比率之间的关系。

在图15中，纵坐标表示每单位重量的发电机电力输出。实验结果显示，当L1/L2比率为1.26时，每单位重量的发电机电力输出和R₂/R₃比率之间的关系。

从图11至图16中充分说明，本发明选择的参数合理，均能保证每单位重量的发电机电力输出在31.5A/Kg以上。

在本发明的实施例中，定子铁芯外径为128mm，爪状磁极部分的R₃等于50.15mm。即使当定子外径为139mm、144mm，也可得到同样好的结果。当爪状磁极部分的R₃设置在50mm～60mm范围内时，本发明实施例的参数设置范围是有效的。当转子芯的磁极对数等于其它值，例如7或8时，也可得到同样好的结果。

Claims

1.一种车辆用交流发电机，具有：励磁线圈、转子芯和定子铁芯；转子芯，其具有伦德尔型铁芯，该伦德尔型铁芯具有卷装该励磁线圈的轭部，该轭部呈圆筒状，从该轭部的轴方向位置向外周方向扩大的轭铁部，与该轭铁部连接并且形成为包围所述励磁线圈的爪状磁极部；定子铁芯，在转子芯爪状磁极部的外周对向配置，由层压铁芯和衔铁线圈构成；其特征在于：所述转子芯的轭部外半径设为R₂，爪状磁极部的外半径设为R₃，R₂/R₃的比率为0.51～0.53；所述转子芯轭铁部的剖面积设为S2，爪状磁极部的根部剖面积设为S3，S 3/S2的比率为0.90～0.98，所述定子铁芯的轴方向长度设为L1，转子芯轭部的长度设为L2，L1/L2的比率大于1。

2.如权利要求1所述的车辆用交流发电机，其特征在于：所述L1/L2的比率为1.10～1.40。

3.如权利要求2所述的车辆用交流发电机，其特征在于：所述L1/L2的比率为1.26。

4.如权利要求1或2或3所述的车辆用交流发电机，其特征在于：所述爪状磁极部剖面积的单侧缩小为小于15度。

5.如权利要求4所述的车辆用交流发电机，其特征在于：所述爪状磁极部剖面积的单侧缩小为0度。