CN100385772C - 车辆用交流发电机 - Google Patents

Abstract

车辆用交流发电机的定子铁心32，通过螺旋状地卷取、层叠带状钢板，形成大致圆筒状。该定子铁心32的轭铁部被夹持在一对支架之间。定子铁心32的外周部上设有沿轴向延伸的槽状凹部38，在凹部38内配置长螺栓13。通过规定长螺栓13的轴心位置，可廉价地提供一种大幅度降低长螺栓13轴向紧固时的力矩分力，并防止长螺栓13发生松动，不必担心功率降低，小型且抗振性能好，噪音低的车辆用交流发电机。

Description

车辆用交流发电机

技术领域

本发明涉及一种装载在轿车、货车等之中的车辆用交流发电机。

背景技术

近年来，由于为减少车辆的行驶阻力而作的斜鼻化设计和为确保车室内乘坐空间的需要，发动机室的设计不断变小，车辆用交流发电机的装载空间没有多余的量。一方面，由于燃料费用的提高而使发动机转速下降，从而车辆用交流发电机的旋转也下降，但另一方面，由于安全控制器等电气负荷的增加，而要求不断提高发电能力。进而，由于发动机的小型、轻量化及功率增加，使得振动很大，加在装载在发动机上的发电机上的振动也因此增大。

另外，近年来，由于降低车外噪音的社会要求和提高车室内安静程度等商品性能的目的，发动机噪音不断下降，随着发电而产生的车辆用交流发电机的磁噪音成为最厌烦的状况。

根据上述背景，要求廉价地提供一种小型、大功率、抗振动性能好、噪音低的车辆用交流发电机。

对此，在传统的一般车辆用交流发电机中，定子夹持固定在前后两支架上，在与定子铁心32接触的支架的开口部端面附近，在两支架的对向位置上沿外径方向设有多个凸缘部，在这些凸缘部上形成有螺栓孔或螺钉孔，通过螺栓进行连接固定，然而，在上述结构上，由于在支架的外径位置上沿轴向紧固所述支架凸缘部，因此，如图9所示，增加了力矩的分力M，碗状支架的开口部端面产生变形，定子铁心和支架的轴向接触面减少。因此，接触面的表面压力上升，通常，由铝制的支架材料被铁制定子铁心的端面边缘部磨损。在近年来加在上述发电机上的外部振动增加的情况下，更加加速了这种磨损。当磨损持续时，由于支架之间的轴向距离变短，所以沿轴向连接固定定子铁心和支架的长螺栓产生松动，从而导致下述问题。即，由于转子和定子的中心轴偏离，使得转子外周和定子内周的空气隙不均匀，从而造成通过空气隙产生的两者之间的磁吸引力也不均匀，因而使磁噪音增加。

另外，有可能产生由于发电机整体刚性低下而产生与外部振动共振的现象，因而有发生定子铁心与支架之间沿周向相对移动的旋转现象，定子卷线和整流器的连接线断线而导致发电中止的危险。另外，由于共振使得发电机整体的振动剧增，加在整流器等各种部件上的应力过大，增加了其破损的可能性。

另一方面，从提供廉价发电机的角度出发，发电机定子铁心通常是通过螺旋卷取带状钢板形成的螺旋型铁心。在这种情况下，作为卷取开始和卷取结束的轴向两端面相对于定子铁心的中心轴不成90度，而保持向相同方向的倾斜。这样，一侧的轴向端面与支架的接触面之间的接触面积进一步减少，另一侧的接触面顺着定子端面的倾斜方向滑动，很容易使支架开口部扩大，从而使两支架的轴向距离减少。根据以上所述，上述螺旋型定子铁心更易于促使长螺栓松动。

进而，对于将分离的钢板层叠而成的铁心，在为了使螺旋型定子铁心易于卷取成螺旋状而要求钢板要薄的同时，由于卷取后的钢板中越靠近外周部越薄，所以刚性降低。因此，长螺栓的紧固力易于使定子铁心变形，由于内周真圆度的变劣而造成磁噪音增大的问题。

作为上述问题的对策，支架和定子铁心的固定不仅仅只用长螺栓进行紧固，就支架和定子铁心的配合采用过盈配合来说，既可采用在组装时预先加热支架的热嵌装方式。

另外，有人考虑通过提高长螺栓的轴向紧固力，来提高定子铁心和支架之间的固定力。然而，由于在这种情况下，力矩分力M也增加，碗状支架的开口部端面更加变形，因而，考虑使降低变形的支架圆筒外周部壁厚加厚，以提高支架的刚性。

另一方面，由于力矩分力M增加，长螺栓近旁的定子铁心在内周侧上产生变形，铁心内周真圆度变劣，从而使转子外周和定子内周的空气隙不均匀，产生磁噪音增大的新问题。对于刚性低的螺旋型定子铁心，这种倾向更加显著。为解决这一问题，如特开平7-245901号公报中所记载的，在紧固长螺栓的支架凸缘部附近设有切槽，以防止定子铁心的变形。

在上述热嵌装方式中，由于生产工时、设备的增加成为阻碍廉价供给发电机的主要原因。另外，当由于发电使发电机温度上升时，由于作为支架材料的铝和作为定子铁心32材料的铁的膨胀率不同而成为配合松动的方向，若在这种状态下仍要确保充分过盈配合，则相反在车辆停止时，支架始终承受很大的拉伸应力，反而产生在寒冷的地域支架断裂的问题。若支架和定子铁心32同为铁制的，虽然不会存在由于膨胀率不同而出现配合的松动，但是存在由于磁通量泄漏而使得功率降低，加工费用和重量大幅度增加的问题。在使用螺旋型定子铁心的情况下，由于前面所述的刚性降低，也存在与支架的过盈配合变形很大，内周真圆度恶化，导致磁噪音增大的问题。

另外，对于为了减少支架开口部的变形应变，而采用厚壁化以提高支架刚性的方法，为了达到充分的效果，必须相当大地增加包括凸缘部的支架整体的外径厚度，造成发动机装载空间变大，和重量增加的问题。

进而，对于上述特开平7-245901号公报的方法，在凸缘部以外的接触面上，力矩分力M使支架开口部端面产生应变，由此产生的接触面磨损的发生与以前相比没有任何改变，不能解决螺栓紧固力低下的问题。另外，在采用刚性低的螺旋型定子铁心的情况下，由于内周真圆度变劣，所以依然存在磁噪音增大的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的是廉价提供一种防止长螺栓松动、小型、大功率、抗振性能好、噪音低的车辆用交流发电机。

为了解决这一课题，本发明的发电机在螺旋型定子铁心的外周部的轴向上设有凹部，通过规定导入凹部的长螺栓的轴的中心位置，大幅度减少长螺栓轴向紧固时的力矩分力，抑制支架和定子铁心的接触面的磨损，当长螺栓发生松动时，抑制螺旋型定子铁心的变形，防止磁噪音的增加。

根据技术方案1所述的发明为一种车辆用交流发电机，包括：在轴向端部的至少一侧上具有叶片的励磁转子，具备与所述转子的外周对向配置的、在内径侧具有多个狭缝、在外径侧具有轭铁部的层叠铁心和收存在前述狭缝内的定子线圈的定子，支撑所述转子和定子的一对碗状支架，通过前述一对支架在轴向上连接固定所述定子的长螺栓，其特征为，所述定子铁心是以螺旋状卷取、层叠带状钢板而成大致为圆筒状，所述轭铁部的轴向两端面与所述支架的碗状部的开口部端面接触，在所述大致为圆筒状的定子铁心的外周面上沿轴向形成多条凹下的凹部，所述长螺栓的轴心配置在前述凹部中的较前述定子铁心假想最大外径长出所述长螺栓径向断面直径的三分之一长度的半径的圆内。因此，由于大幅度地减少了长螺栓的轴向紧固力所引起的力矩分力，抑制支架开口部端面的应变，从而可确保定子铁心和支架的轴向接触面积，防止支架接触面的磨损，保持长螺栓的轴向紧固力，同时，由于轴向紧固力大体上用于定子铁心和支架的固定，因而发电机整体的刚性提高，可以应付近年对来自发动机的外部振动条件严格管理的环境。特别地，在采用卷取层叠成螺旋状的螺旋型定子铁心的情况下，可以消除由于铁心轴向两端面倾斜而引起的使一侧的支架接触面积进一步减少以及由于另一侧支架开口部的滑动而引起的接触面积扩大的问题，与传统的连接固定结构相比，进一步提高了长螺栓的轴向紧固力的保持效果。进而，由于可抑制因螺旋型定子铁心的刚性降低而引起的变形，因而也不会由于内周真圆度的变劣而使噪音增大。

根据技术方案2所述的发明为如技术方案1所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述凹部大致为半圆形，所述长螺栓的断面为圆形，同时，通过将所述长螺栓被导入所述半圆形凹部中，使所述长螺栓的轴心配置在前述凹部中的较前述定子铁心假想最大外径长出所述长螺栓径向断面直径三分之一长度的半径的圆内。

因此，由于长螺栓的外径被沿着凹部导入，所以在组装长螺栓时易于将螺栓插入螺孔中，在螺孔的开口部不必进行导向，使组装性能和加工性能更为容易。

根据技术方案3所述的发明为如技术方案1或2所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述层叠铁心在前述凹部表面上，通过沿轴向进行焊接接合起来，从而，由长螺栓的紧固而产生压缩力，提高了该凹部的刚性，由于防止了定子铁心32的变形而不会发生因内周真圆度不高而造成的磁噪音的增大，同时，由于不存在铁心和支架接触面附近的焊接隆起等，因此组装操作性能也得以提高。

根据技术方案4所述的发明为如技术方案1至3中任一项所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述长螺栓的外周面在与所述凹部相对的部分处与凹部非常靠近，从而使磁力线也可从长螺栓内通过，因此与它们彼此不靠近的情况相比，起到了定子铁心32内的磁路扩大的作用，使功率提高。

根据技术方案5所述的发明为如技术方案1至4中任一项所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述定子线圈至少是位于所述狭缝内的部分为沿着狭缝的大致矩形形状，由多个线圈填充在所述狭缝内。因此，由于定子整体的刚性提高，防止了因长螺栓的紧固而造成的定子铁心的变形和随之而来的定子铁心内周真圆度不高，并不会增加磁噪音。

根据技术方案6所述的发明为如技术方案1所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述长螺栓的轴心配置在前述凹部中的较前述定子铁心假想最大外径小所述长螺栓径向断面直径的三分之二长度的半径的圆外。

因此，通过大幅度减少由长螺栓的轴向紧固力引起的力矩分力，防止支架接触面的磨损，保持长螺栓的轴向紧固力，抑制螺旋型定子的变形，不会增大磁噪音，并且，可抑制由于磁回路上的磁路断面减少而引起的功率降低。

附图说明

图1是本发明的车辆用交流发电机的主要部分的剖面图。

图2是本发明第一个实施例中定子周边的轴向剖面图(除去转子)。

图3是第一个实施例的定子周边的径向剖面图(除去转子，表示出定子线圈的一部分的定子部分的剖面图)。

图4是表示定子铁心32的制作方法的图示。

图5表示长螺栓的径向位置与螺栓的转矩的关系。

图6是定子线圈沿着狭缝形状大致成矩形的情况下的定子部分的剖面图。

图7是另一实施例中定子周边的径向剖面图。

图8表示长螺栓的径向位置与功率的关系。

图9是表示传统的定子连接固定时的作用的轴向剖面图。

图10是表示传统的定子连接固定时的作用的轴向剖面图。

具体实施方式

以下，根据图中所示的各实施例对本发明的车辆用交流发电机进行说明。

图1至图3表示本发明的第一个实施例，图1是本实施例的汽车用交流发电机的主要部分的轴向剖面图，图2是本实施例的定子周边的轴向剖面图(除去转子)，图3是本实施例的定子周边的径向剖面图(除去转子，表示定子线圈的一部分)。车辆用交流发电机1由起励磁作用的转子2，起电枢作用的定子3，支撑所述转子和定子的支架4、5和与所述定子3电连接、将交流电转变成直流的整流器等构成。

转子2与轴6一体旋转，由二组伦德尔型磁极铁心7、冷却风扇9、励磁线圈8、集流环11等构成。轴6与滑轮12相连接，由装载在汽车中的行驶用发动机(图中未示出)旋转驱动。

定子3由定子铁心32和定子线圈33、以及使铁心和定子线圈之间电绝缘的绝缘体34构成。定子铁心32由磁极齿部35和轭铁部36构成，在围绕磁极齿部35和轭铁部36的狭缝部37中容纳有卷线33及绝缘体34。另外，如图4所示，定子铁心32是通过以螺旋状卷取带状钢板39而成的，轭铁部36的外周大致成圆筒状。在外周面上沿轴向形成许多大致为半圆形的凹部38，凹部38的周向宽度上的中心线与磁极齿部35的宽度上的中心线基本一致。另外，如图4所示，凹部38是通过在带状钢板39的阶段预先进行冲压加工而形成。

支架4、5大致为碗状，其开口侧的端面41、51分别与所述轭铁部36的外径侧的轴向两端面接触。在开口侧端面41、51的附近，沿外径方向形成多对凸缘部42、52，在其一侧上具有贯通长螺栓13的贯通孔，在另一侧上具有螺孔。在与多对凸缘部对应的位置上以使定子铁心32的凹部38重合的方式相互配置支架4、5和定子3，从前述凸缘部的贯通孔插入的长螺栓13被导入凹部38，插入、组装到相对向的凸缘部的螺孔中。借助长螺栓13的轴向连接力，将定子铁心32的轴向两端面夹持固定在支架4、5上。如图2、3所示，若定子铁心32的假想最大外径为φD，长螺栓13的轴向断面的最大内接圆直径为φd，长螺栓13的轴心和假想最大外径φD在外径方向的距离为x，则x小于d的三分之一。在此，假想最大外径是表示在定子铁心32的轴向端面上连接半径极大点的圆的外径。

图5为准备好仅改变长螺栓的径向位置的支架，改变上述的比率X/d，测定对车辆用交流发电机的单体进行振动试验之后的长螺栓13的转矩，并表示相对与试验前所规定的紧固转矩值的比率。振动试验为用形成于支架上的安装孔43，由螺栓、螺母将车辆用交流发电机连接固定在振动盘上的安装卡具上，考虑到加在装载于发动机中的发电机上的振动环境下，振动条件为以200m/s²的加速度在5分钟内使频率从100Hz至400Hz往复变换，分别在发电机的径向和轴向上振动10小时。长螺栓13为用于一般车辆用交流发电机的M5型，定子被4根长螺栓13夹持在两支架之间。从而，若x被设定在d的三分之一以下，则证明可以大幅度改善长螺栓13的转矩降低的问题。即，按照上述设置，可防止由于螺栓松动而使磁噪音增大和由于定子转动而使线圈断线，以及各部件因振动而受损等问题。

当X/d的比率大时，螺栓松动也大，关于其原因，以如图9、10所示的传统的结构实例来进行说明。如图9所示，长螺栓13位于定子铁心32的外周还靠径向外侧的位置，当通过长螺栓13在轴向上紧固凸缘部42、52时，产生以定子铁心32的轴向两侧面的边缘部321为支点的力矩分力M，支架开口部端面41、51向定子铁心32侧倾斜，从而，开口部端面41、51和定子铁心32只在侧面边缘部321处接触。因而接触部的表面压力处于很高的状态。并且，由于定子在发电机中所占重量很大，因而振动载荷很大，由于从发动机处受到轴向振动，使得上述接触面的表面压力更大。因此，比定子铁心32的材料硬度还要低的支架的开口部端面41、51受到磨损。磨损使得凸缘间的距离变短，长螺栓13的轴向紧固力低下，即产生松动。另外，由于径向的外部振动，上述磨损波及支架的整个接触面，自然会进一步增大发电机的振动，加速其磨损。

图10表示在采用如图4所示的螺旋状地卷取带状钢板而形成的螺旋形定子铁心32的情况下，定子铁心32和支架开口部端面41、51接触的状况。由于是以螺旋状卷取，当卷取开始和卷取结束时，定子两端面相对于定子中心轴对应的垂直面向同一方向倾斜。因而，在图10的支架开口部端面41侧，定子铁心32的轴向端面边缘部321在接触面上受到比图9情况下更高的表面压力，易于加速磨损。在另一侧的开口部端面51侧，由于开口部端面51的倾斜与定子铁心32的端面的倾斜方向相同，两者沿该倾斜滑动，易于使支架开口部扩大，导致两支架的轴向距离减少，因而使长螺栓13易于松动。因此，在采用近年来的一般螺旋型定子铁心32的情况下，比采用图9的分离型层叠板定子铁心32的情况下更易使长螺栓13松动。

另外，本实施例中，由于大幅度地减少了力矩分力并抑制支架开口部的应变，所以抑制了定子铁心32向内周侧的变形，不会因定子铁心32的内周真圆度不高而增加磁噪音。

另外，对于采用层叠分离型钢板作为定子铁心32的车辆用交流发电机，X/d处于本实施例的范围内，但是，当为了降低成本而一般采用以螺旋状卷取带状钢板而形成的螺旋型定子铁心时，会产生功率低下的问题。其原因是由于螺旋状卷取而使钢板厚度越靠近外周部越薄，另一方面，由于定子铁心的层叠厚度是由内周部的钢板厚度确定的，定子铁心内的实际磁路面积只减少外周部较薄的部分，使磁回路上的磁阻抗增加所引起的。因此，在定子铁心的周边外侧配置长螺栓13，由于取消了缩小定子铁心内的磁路面积的外周部凹部，所以可防止功率降低的问题。

在本实施例中，利用在发电机内部配置冷却风扇的快速冷却结构，降低热损失，实现大功率输出，因而，即使在螺旋型定子铁心的外周部上形成凹部，也可确保充分满足车辆所需的功率。

进而，在本实施例中，由于长螺栓13与凹部38配置的极为接近，所以通过使磁力线也从长螺栓内通过，因此，与两者不靠近的情况相比，起到扩大定子铁心32中的磁路面积的作用，有提高功率的作用。

(其它实施例)

在第一个实施例中，容纳在狭缝内的导线留有一定间隙地填充在狭缝内，但是，也可以用断面为沿狭缝形状的矩形导体基本完全充满狭缝。这样，由于狭缝部分也与轭铁部分成为一体，使定子整体刚性提高，从而，提高了对因长螺栓13的紧固而使定子铁心32变形的抵抗力，抑制了由于定子铁心32内周的真圆度不高而造成的磁噪音增加。

在第一个实施例中，在卷取前预先在带状钢板39上间断地由冲压加工等形成凹部38，但是也不排除在卷取后进行去除加工来形成。另外，凹部38具有大体为半圆形的轴向断面，但只要是长螺栓13的导向件，则轴向断面形状可以是三角形、四边形或多边形。

在第一个实施例中，用于防止螺栓松动的长螺栓13的中心轴规定了定子铁心32外周位于外侧的位置，但在长螺栓13的中心轴比定子铁心32外周配置得更靠内侧的情况下，无论长螺栓13对磁路起到怎样的作用也还是有空隙存在，还是遗留有由于空隙增加而使功率低下的问题。因此，如图7所示，定子铁心32的假想最大外径为φD，长螺栓13的轴向断面最大内接圆直径为φd，长螺栓13的轴心与假想最大外径φD在内径方向的距离为Y，改变比率Y/d，对发电机的功率值变化进行研究。对于额定功率为70A、100A、130A级的各种发电机，测定环境温度为20℃，转速为5000rpm时的饱和功率，Y/d＝-0.5，即以没有凹部38时的功率值为1，随Y的增加功率值的比率如图8所示。另外，长螺栓13中，在所述级别的车辆用交流发电机中标准地采用4根5M大小的螺栓。根据图8可知，若将Y设定为d的三分之二以下，则可抑制较大的功率低下。因而，在保持高功率方面，在第一个实施例的基础上，在长螺栓13的轴心和凹部38处的定子端面的假想最大外径向内方向的距离最好在长螺栓13的断面最大内接圆直径的三分之二以下。

另外，长螺栓13的轴向断面一般为圆形，但也可以是多边形断面。这种情况下，本申请中规定的尺寸d可采用最大内接圆直径。

另外，在一个支架凸缘部上设定长螺栓13的贯通孔，在另一个支架凸缘部上设有螺孔，但也可在双方上设置贯通孔，通过螺栓和螺母连接固定起来。

进而，支架凸缘部从支架外周沿径向凸出，但是在为了将发电机装载在发动机上，该凸缘部靠近与凸缘部一样地从支架外周向径向凸出的装载用支架的安装撑条部的情况下，撑条部的一部分也可兼作凸缘部。

工业上应用的可能性

根据如上所述的本发明，沿定子铁心32外周部的轴向具有凹部38，通过规定导入凹部38的长螺栓13的轴心位置，可廉价提供大幅度减小长螺栓13轴向紧固时的力矩分力，防止长螺栓13发生松动，不必担心功率低下，小型化和抗振性好，噪音低的车辆用交流发电机。

Claims (6)

1.一种车辆用交流发电机，其螺旋定子在外部柱形表面上具有螺栓凹部，包括：

励磁转子，其在轴向端部的至少一侧上具有叶片；

定子，其与所述转子的外周对向配置，所述定子包括在内径侧具有多个狭缝的层叠铁心；

定子线圈，其被收存在前述狭缝的至少一个内；

外壳，其具有支撑所述转子和定子的一对铝制碗状支架，以及多个长螺栓，该长螺栓与前述一对支架接合，以在轴向上连接固定所述定子和所述对的碗状支架，

其特征为，

所述定子铁心是以螺旋状卷取、层叠带状钢板而成大致为圆筒状，所述圆筒状具有圆形外周，所述定子具有定位在所述多个狭缝外径向的轭铁部，所述轭铁部具有的相对端面与所述碗状支架的的轴向端面接触，所述轭铁部具有在外周面上沿轴向形成的多条凹下的凹部，所述凹部在所述相对端的径向外侧形成下凹，

每个所述长螺栓置于所述凹下的凹部的相应的一个内，使得所述长螺栓的轴心配置在第一假想圆内，该第一假想圆的直径比所述定子的最大外径大所述长螺栓直径的2/3；使得所述长螺栓的轴心配置在第二假想圆外，该第二假想圆的直径比所述定子的最大外径小所述长螺栓直径的4/3；

所述相对端面具有容纳区，该容纳区位于所述下凹的两周向侧，接受所述长螺栓的固定力。

2.如权利要求1所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述凹部大致为半圆形，所述长螺栓的断面为圆形，同时，通过将所述长螺栓被导入所述半圆形凹部中，使所述长螺栓的轴心配置在前述凹部中的较前述定子铁心假想最大外径长出所述长螺栓径向断面直径的三分之一长度的半径的圆内。

3.如权利要求1或2所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述层叠铁心在前述凹部表面上，通过沿轴向进行焊接接合起来。

4.如权利要求1所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述长螺栓的外周面在与所述凹部相对的部分处与凹部靠近。

5.如权利要求1所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述定子线圈至少是位于狭缝内的部分为沿着狭缝的大致矩形形状，由多个线圈填充在所述狭缝内。

6.如权利要求1所述的车辆用交流发电机，其特征为，所述长螺栓的轴心配置在前述凹部中的较前述定子铁心假想最大外径小所述长螺栓径向断面直径的三分之二长度的半径的圆外。

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