CN101056028A - 车辆交流发电机 - Google Patents

Abstract

一种串联式车辆交流发电机，其具有双发电单元。每个发电单元具有Lundel型转子芯和定子线圈。Lundel型转子芯以串联布置的方式布置在车辆交流发电机中。每个定子线圈由连续段连接型定子线圈组成。一对设置在转子芯的外侧的盘形部分中的内盘形部分的中心位置定位在作为定子芯的电枢铁心的宽度内。该结构增加了处于轴向内侧的相邻定子线圈中的相互面对的内侧线圈端之间的间隙，冷却了那些内侧线圈端，并且减小内侧线圈端之间产生的相互感应。该特征改善了车辆交流发电机的输出并且提高了各个发电单元的独立控制。

Description

车辆交流发电机

相关申请的交叉引用

本申请涉及并且要求2006年4月10日提交的日本专利申请No.2006-107580的优先权，上述日本专利申请的内容作为参考并入本文。

技术领域

本发明涉及一种对车辆来说具有改进的安装性能的车辆交流发电机或者车辆的AC发电机。

背景技术

通常，车辆设计有较小的发动机室以便提供较大的内部空间。因此，在车辆发动机室内的用于安装车辆交流电动机的可用空间越来越小。因为由安全装置的控制器产生的电负载以及多个电负载的增加，所以对越来越高的车辆交流发电机的功率输出存在更多的要求。小的高功率和低成本的车辆交流发电机存在大量的需求。此外根据作为电负载的安装在车辆上的电气装置近来的多样性，非常需要在车辆中提供多种电压。已经提出了一种传统的技术，在该技术中，两种不同的车辆交流电动机安装在发动机旁边。但是，鉴于允许由碰撞事故引起的变形，难于将两个不同的车辆交流发电机、特别是更被水平设置的水平车辆交流发电机安装在靠近车辆发动机的空间上。为了克服上述困难，已经提出了另一种传统的技术，在该技术中，每个都包括定子和转子的一对发电机或双发电机沿其轴向设置在车辆交流发电机的外壳中。这种类型的车辆交流发电机被称为“串联式旋转电机”或“串联式车辆交流发电机”。例如，日本专利公报No.JPS57-42565...(1)已经公开了这样的串联式车辆交流发电机。

日本专利公报(1)示出了一种串联式交流发电机，其配备有一对沿其轴向设置在车辆交流发电机外壳中的发电机。每个发电机主要包括定子和转子。

但是，因为这种传统结构的串联式车辆交流发电机在与普通的车辆交流发电机的尺寸相比时沿其纵向具有延长的有效长度，所以该串联式车辆交流发电机的问题是车辆交流发电机与安装在车辆交流发电机附近的横向排气管和进气管相互影响。因此为了使串联式车辆交流发电机适合各种应用存在很多待解决的难题。

为了解决上述的传统问题，本发明的申请人已经提出了一种配备有作为定子线圈的电枢绕组的串联式车辆交流发电机，其中所述电枢绕组主要由多个连续相连的字母U形段的电导体组成(下文，称作为“连续段连接型定子线圈”)。在由多个字母U形段的电导体组成的定子线圈的结构中，每个字母U形段的电导体的一对腿部(或一对端部)独立地从轴向的一侧插入到相互隔开磁极距的一对槽中。电枢绕组的一对线圈端通过字母U形段的电导体的朝向所述轴向的另一侧突出的各个腿部形成。这种类型的连续段连接型定子线圈已经广泛地公知，并且例如由下列日本专利文件(2)到(4)公开。

(2)日本专利No.3118837；

(3)日本专利No.3178468；以及

(4)日本专利No.3199068。

在与普通定子线圈的长度相比时，连续段连接型定子线圈能够减小线圈端沿轴向的长度。因此，由于车辆交流发电机的尺寸由沿轴向串联设置的两个电枢的总长度确定，所以将连续段连接型定子线圈应用于串联式车辆交流发电机能制造出在轴向具有实用尺寸的交流发电机，并且串联式交流发电机在与普通车辆交流发电机相比时能够获得两倍的减小线圈端长度的效果。换句话说，已知的传统串联式车辆交流发电机在它仅使用连续段连接型定子线圈时首次沿轴向具有了实用的长度。

但是，本发明的申请人已经发现了下列在采用连续段连接型定子线圈的串联式车辆交流发电机(在下文，称为“线圈段型串联式车辆交流发电机”)中包含的问题。也就是说，串联式车辆交流发电机沿其轴向的长度通过一对沿轴向设置在串联式布置中的电枢的长度和包括一对沿其轴向设置在串联布置中的伦德尔(Lundel)型磁场绕组的转子结构的长度的总和确定。也就是说，即使通过使用连续段连接型定子线圈减小一对电枢轴向的总的长度，仍很难减小串联式车辆交流发电机沿轴向的长度，除非减小转子结构沿轴向的长度。

在上述说明中，转子包括Lundel型磁场绕组和一对设置在磁场绕组两端的轴承。此外冷却风扇设置在Lundel型磁场绕组沿轴向的两端并且所述两个冷却风扇与Lundel型磁场绕组的轴线隔开大约相同的距离。也就是说，即使通过使用连续段连接型定子线圈减小一对电枢的总长度，但是因为难于减小转子结构沿轴向的长度，所以仍很难减小串联式车辆交流发电机沿轴向的总长度。

传统的串联式车辆交流电动机因为一对电枢沿轴向紧密布置还包括各种各样的问题。

第一个问题是难于向一对相互面对并延伸、即紧密设置在一对电枢铁心之间的线圈端(也称为“内侧线圈端”)供应冷却空气。这导致线圈端的温度升高。也就是说，在普通的车辆交流发电机(具有单个电枢铁心，不是串联式车辆交流发电机)中，冷却风扇可有效地冷却定子绕组的线圈端，因为两个线圈端都沿径向设置在转子结构的冷却风扇的外侧。相反，在传统的串联式车辆交流发电机中，难于将冷却风扇设置得能够冷却沿径向设置在内部的内线圈端并且也难于向内线圈端供应冷却空气。

第二个问题在于，因为在一对相互紧密设置的定子中的两个内线圈端之间产生电感，所以在一个缠绕在一对电枢铁心上的电枢线圈中通过流经另一个电枢线圈的三相交流电流感生出三相交流电流。该感生的三相交流电流损坏了各个发电单元的独立控制性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沿其轴向具有减小的长度的改进的车辆交流发电机，该交流发电机能够减小缠绕在一对电枢铁心上的电枢线圈的温度升高并且也能对各个发电单元有效地进行独立控制。

为了实现上述目的，本发明提供了一种车辆交流发电机，其具有一对沿其轴向相邻地设置在串联式布置中的发电单元(或双发电机)。每个发电单元具有电枢和Lundel型磁场绕组。每个Lundel型磁场绕组形成串联式转子。一对Lundel型磁场绕组固定于车辆交流发电机的同一旋转轴。每个Lundel型磁场绕组具有轴毂部分和一对盘形部分。轴毂部分由固定于车辆交流发电机的旋转轴的圆筒形铁心组成。磁场绕组缠绕在轴毂部分的外表面上。一对盘形部分相互面对并且每个盘形部分由沿径向从轴毂部分的端部朝外侧方向延伸的环形板铁心组成。偶数个爪形磁极交替地相互面对并且沿径向从每个盘形部分的外端部朝轴向延伸并且交替地形成北极和南极。电枢具有固定于车辆交流发电机外壳的圆筒形电枢铁心。电枢绕组绕着该圆筒形电枢铁心缠绕，该电枢铁心沿车辆交流发电机的径向设置在爪形磁极外侧。电枢绕组由多个字母U形的电导体组成。每个导体插入通过一对沿轴向设置的槽的一侧并连续地相互连接。

在车辆交流发电机中，一对盘形部分中的一个盘形部分形成内盘形部分，并且内盘形部分的从轴向观察的中心位置设置在圆筒形电枢铁心的从该圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度内，并且每个发电单元的内盘形部分设置在串联式转子的轴向外侧。

本发明利用了串联式车辆交流发电机的如下特征，该交流发电机使用多个连续段连接型定子线圈形成作为定子芯的电枢铁心，所述电枢铁心的各个线圈端的长度与没有使用连续段连接型定子线圈的普通车辆交流发电机中的各个线圈端的长度相比更短。考虑到连续段连接型定子线圈的上述特征，一对电枢中的每个电枢朝向轴向的外侧移动到各个相应的Lundel型磁场绕组的位置。因此可以在一对电枢铁心中的相互面对的线圈端之间保持大的间隙。

另外，因为车辆交流发电机的轴向长度通常通过由一对Lundel型磁场绕组组成的转子的整个结构的尺寸确定，所以即使一对电枢在朝向轴向的位置中相互分开，连续段连接型定子线圈的使用也能防止电枢铁心的总轴向长度增加。

此外，因为在一对沿轴向相互面对的电枢的线圈端之间获得了大间隙，所以可以容易地冷却一对线圈端，并且防止在工作期间那些温度变高的线圈端之间的相互热影响。此外，因为能够减小电磁耦合条件下一对线圈端之间的感应电压的量级，所以可以改进一对发电单元的控制性能。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中一对盘形部分中的另一个盘形部分是外盘形部分。该外盘形部分的沿轴向的中心设置在圆筒形电枢铁心的从其轴向观察的宽度的外侧，其中所述圆筒形电枢铁心设置在串联式转子的轴向内侧。因为外盘形部分从位于圆筒形电枢铁心的径向中的内侧空间区域移动到外侧，所以可以扩大Lundel型磁场绕组(转子)中用于磁场线圈的放置空间，并且还可以在一对电枢的相互相邻面对的两个线圈端之间保持足够长度的间隙，其中所述线圈端沿轴向位于一对电枢的内侧。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中永久磁体设置在从内盘形部分伸出的爪形磁极和从外盘形部分伸出的爪形磁极之间的沿周向的间隙中。该永久磁铁被磁化以便提高爪形磁极的磁力。这种结构增加了车辆交流发电机的输出。

为了更详细地说明，一对电枢沿轴向移动，从外盘形部分延伸出并且沿径向设置在内盘形部分外侧的爪形磁极沿轴向与相应的内盘形部分重叠。从外盘形部分伸出的爪形磁极面对内盘形部分的表面，并且还沿周向隔开特定间隙地面对内盘形部分的邻近外盘形部分的爪形磁极。这种构造导致了磁通量泄漏并且也增加了磁通量泄漏的量并且因此减小了车辆交流发电机的输出。为了避免这个缺点，具有根据本发明的串联式构造的车辆交流发电机整合了永久磁体。每个永久磁体设置在相邻的爪形磁极之间沿周向的间隙中，并且每个永久磁铁被沿着该方向磁化以便提高每个爪形磁极的磁场。Lundel型磁场绕组的这种构造能够减小磁通量的泄露量并且从而增加车辆交流发电机的输出。

优选地，每个永久磁体沿轴向重叠于内盘形部分。从而可以防止内盘形部分和形成于相应的外盘形部分上的爪形磁极之间的磁通量泄漏。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中处于圆筒形电枢铁心的径向内侧的每个齿的前尖端表面的沿周向的宽度比永久磁体沿周向的宽度窄。这种结构能够减小前齿处的磁通量泄漏量，其中磁通量通过齿的径向前尖端部分流出，并且从而通过减小磁通量的泄漏量增加了车辆交流发电机的输出。

根据本发明的另一个方面，提供一种了车辆交流发电机，其中各相具有多个位于圆筒形电枢铁心中的槽。这种构造能够减小电枢铁心的磁电路的磁阻并且也能够保持电枢铁心的磁通量的饱和量，因为每极和每相的槽的数目是增加的，换句话说，即使处于电枢的径向内侧的每个齿的前尖端表面减小，每极和每相的齿的数目也是增加的。因此可以防止通过增加电枢侧的磁电路的磁阻量所导致的输出减小。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中多个线形凹槽以给定的节距形成在每个爪形磁极的外周表面上。这种构造能够减小径向内侧的每个爪形磁极的前尖端表面处产生的涡电流量。优选地，每个线形凹槽的深度近似等于定子铁心(作为电枢铁心)和爪形磁极之间的间隙长度。但是，还可以接受的是，每个线形凹槽的深度在一定范围内只要不防止场磁通量的流动即可。优选地，减小每个线形凹槽的宽度到尽可能小以便防止从爪形磁极流到齿的磁通量的数量。优选地，减小线形凹槽的节距比定子铁心的齿的沿周向的宽度小。这能够增强通过延长涡电流的流动路径所获得的效果并且实现车辆交流发电机输出的增加。也就是说，可以有效地防止通过增加齿的数量和通过另外的永久磁体导致的电枢径向内侧的齿的前尖端部处的涡电流损失。从而可以防止磁场绕组的温度升高。

根据本发明的另一个方面，提供了一种包括Lundel型磁场绕组和电枢的车辆交流发电机。在该车辆交流发电机中，Lundel型磁场绕组具有轴毂部分、一对盘形部分和偶数个爪形磁极。轴毂部分由固定于车辆交流发电机的旋转轴的圆筒形铁心组成。磁场绕组缠绕在轴毂部分的外表面上。一对盘形部分相互面对。每个盘形部分由沿径向从轴毂部分的端部朝外侧方向延伸的环形板铁心组成。偶数个爪形磁极相互面对并且从每个盘形部分沿径向设置的外端部朝轴向延伸，并且交替地形成北极和南极。

电枢具有固定于车辆交流发电机的外壳的圆筒形电枢铁心。电枢绕组绕着该圆筒形电枢铁心缠绕并且设置在爪形磁极沿径向的外侧。

Lundel型磁场绕组还具有被磁化以提高爪形磁极磁力的永久磁体。每个永久磁体设置在相邻爪形磁极之间的沿周向的间隙处。一对盘形部分中的至少一个形成内盘形部分。所述内盘形部分的从轴向观察的中心位置设置在圆筒形电枢铁心的从圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度内。

本发明还具有改进的特征，其中在Lundel型磁场铁心的一对盘形部分中的至少一个盘形部分的轴向中心位置被朝向电枢铁心的端部表面的沿轴向的内侧位置移动。与之相反，在传统的Lundel型车辆交流发电机中，盘形部分沿轴向的中心位置设置在电枢铁心的端部表面沿轴向的外侧。这就是为什么盘形部分更靠近其他盘形部分的爪形磁极以及磁通量泄漏增加的原因，并且因此，如果一个盘形部分沿轴向的中心位置设置在电枢铁心的端部表面沿轴向的内侧，那么从而减小车辆交流发电机的输出。

相反地，根据本发明，每个永久磁体设置在沿周向相互面对的相邻爪形磁极之间的间隙中并且每个永久磁体被沿着该方向磁化以便提高每个爪形磁极的磁场。这种构造能够减小Lundel型磁场铁心沿轴向的长度，而防止爪形磁极的场磁通量泄漏到内盘形部分中，即使当Lundel型磁场铁心的盘形部分的中心位置设置在电枢铁心的沿径向的内侧时爪形磁极设置在盘形部分沿径向的外侧也是如此。

为了更详细地说明，当爪形磁极沿轴向重叠于内盘形部分并且定位在内盘形部分的沿径向的外侧时，从另一盘形部分(即外盘形部分)伸出的爪形磁极面对内盘形部分的表面，并且还沿周向隔开特定间隙地面对相邻内盘形部分的爪形磁极。这导致大量的磁通量泄漏并且从而与普通的Lundel型的磁场绕组相比减小了车辆交流发电机的输出。通过在内盘形部分和外盘形部分的爪形磁极之间整合永久磁体能够显著避免和消除该缺点。优选地如此设置这些永久磁体，使得每个永久磁体沿轴向重叠于内盘形部分。从而可以有效地抑制内盘形部分和外盘形部分的爪形磁极之间产生的磁通量泄漏。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中电枢绕组由多个字母U形段的电导体组成并且每个电导体插入通过一对沿轴向设置的槽的一侧并连续地相互连接。

即使Lundel型磁场铁心的长度沿轴向减小，但当电枢的线圈端的沿轴向的长度与传统的车辆交流发电机的线圈端的长度一样长时，那么减小车辆交流发电机的整个长度的效果是有限的。为了避免这个缺点，本发明采取由多个字母U型电导体组成的沿轴向长度更短的线圈端。这种构造实现了同时减小Lundel型磁场铁心沿轴向的长度和电枢沿轴向的长度二者，并且因此可以减小车辆交流发电机的沿轴向的总长度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中每个永久磁体设置成沿径向朝内盘形部分的外侧延伸。从而可以有效地减小内盘形部分和沿径向伸出到内盘形部分外侧区域的爪形磁极的前尖端部之间的磁通量泄漏。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中作为一对盘形部分中的另一个盘形部分的外盘形部分的中心位置位于圆筒形电枢铁心的从圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度内。从而可以增加两倍或多倍的沿轴向减小Lundel型磁场铁心的效果。

根据本发明的另一个方面，处于圆筒形电枢铁心的径向内侧的每个齿的前尖端表面的沿周向的宽度比永久磁体沿周向的宽度窄。这种结构能够减小前齿处的磁通量泄漏量，其中当处于电枢铁心的径向内侧的每个齿的前尖端表面与永久磁体沿周向的布置区域相交时，磁通量通过齿的径向前尖端部流出，并且从而通过减小磁通量的泄漏量来增加车辆交流发电机的输出。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中每相具有多个位于圆筒形电枢铁心中的槽。这种构造能够减小电枢铁心的磁电路的磁阻并且也能够保持电枢铁心的磁饱和量，因为即使每个齿在电枢径向内侧的前尖端表面减小，每极和每相的槽的数目、即每极和每相的齿的数目仍是增加的。因此可以防止通过增加电枢侧的磁电路中的磁阻量所导致的输出减小。

根据本发明的另一个方面，提供了一种车辆交流发电机，其中多个线形凹槽以给定的节距形成在每个爪形磁极的外周表面上。这种构造能够减小径向内侧的每个爪形磁极的前尖端表面处产生的涡电流量。优选地，每个线形凹槽的深度小于定子铁心(作为电枢铁心)和爪形磁极之间的间隙长度。同样优选地以小于沿径向最内侧区域的定子铁心的齿沿周向的宽度的特定节距形成线形凹槽。线形凹槽沿该方向形成以便延长每个爪形磁极的表面中根据电枢铁心的齿的磁通量变化产生的涡电流路径。这能够增加车辆交流发电机的输出。也就是说，可以有效地防止通过增加齿的数量和通过另外的永久磁体导致的沿电枢径向处于内侧的齿的前尖端部处的涡电流损失。从而可以防止磁场绕组的温度升高。

附图说明

将通过参考附图采用实例描述本发明的优选的非限制性的实施例，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的配备有沿轴向设置的双发电单元的串联式车辆交流发电机结构的剖视图；

图2是主要示出图1的串联式车辆交流发电机的发电单元的剖视图；

图3是图1所示的串联式车辆交流发电机中的一个Lundel型转子芯的部分展开的正视图；

图4A是图1所示的串联式车辆交流发电机中的一个定子芯的部分展开的正视图；

图4B是图1所示的串联式车辆交流发电机中的另一个定子芯的部分展开的正视图；

图5A是对比例中的一个定子芯的部分展开的正视图；

图5B是对比例中的另一个定子芯的部分展开的正视图；

图6A是示出图1所示车辆交流发电机的定子芯的改进实例的视图；

图6B是示出图1所示车辆交流发电机的定子芯的改进实例的视图；

图7示出了图1所示串联式车辆交流发电机的每个爪形磁极表面上形成的线形凹槽的实例；

图8是根据本发明第二实施例的配备有单个发电单元的车辆交流发电机的示意性剖视图；以及

图9是图8所示车辆交流发电机中的Lundel型转子芯的部分展开的正视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述根据本发明的使用线圈段的串联式车辆交流发电机的各种实施例。在下面各种实施例的说明中，相同的附图标记或者数字在整个附图中表示相同或等同的组件部分。

第一实施例

(总体结构)

将参考图1描述根据第一实施例的线圈段型串联式车辆交流发电机的结构和效果。

图1是示出根据本发明第一实施例的配备有沿轴向设置的双发电单元的串联式车辆交流发电机结构的剖视图。

图1所示的串联式车辆交流发电机具有外壳1、主旋转电机部分2、次旋转电机部分3、旋转轴4、皮带轮5、轴承6和7、由诸如整流器和调整器等各种装置组成的电路装置8、前侧冷却风扇9、以及后侧冷却风扇10。

外壳1包括前外壳11、中间外壳12以及后外壳13。所述外壳1的这些外壳元件11、12和13通过贯穿螺栓(未示出)紧固地固定到一起。

旋转轴4通过轴承6和7支撑于外壳1。皮带轮5固定到旋转轴4的从外壳1的前端表面突出的前端部分。包括整流器和调整器等的电路装置8固定到后外壳13的外周部分。

主旋转电机2主要包括Lundel型转子芯21、Lundel型磁场绕组、定子芯23和电枢。Lundel型转子芯21由软金属制成。Lundel型磁场绕组由围绕Lundel型转子芯21缠绕的磁场线圈22组成。定子芯23沿径向设置在Lundel型转子芯21的外侧部分。电枢由绕电子芯23缠绕的定子线圈24组成。

Lundel型转子芯，即Lundel型的磁场铁心21由轴毂部分211、一对盘形部分212和212′、以及偶数个爪形磁极213组成。轴毂部分211由紧固地连接到旋转轴4的圆筒形铁心制成。盘形部分212和212′的每一个由从轴毂部分211的两端向径向外面延伸的环形铁心制成。交替形成沿周向相互面对的北极和南极的多个爪形磁极213从两个盘形部分212和212′的外周表面(或沿径向的外端部分)朝轴向延伸。Lundel型转子芯21由一对半芯组成，其中所述半芯的轴毂部分211沿轴向相互面对。磁场线圈22绕Lundel型转子芯21的每个轴毂部分211缠绕。定子芯23由圆筒形的磁钢制成并且沿轴向放置在前外壳11和中间外壳12之间。定子线圈24由绕定子芯23缠绕的连续段连接型定子线圈组成。

次旋转电机3主要包括Lundel型转子芯31、Lundel型磁场绕组、定子芯33和电枢。Lundel型转子芯31由软金属制成。Lundel型磁场绕组由绕Lundel型转子芯31缠绕的磁场线圈32组成。定子芯33沿径向设置在Lundel型转子芯31的外侧部分。电枢由绕电子芯33缠绕的定子线圈34组成。

Lundel型转子芯(作为Lundel型磁场铁心)31由轴毂部分311、一对盘形部分312和312′、以及偶数个爪形磁极313组成。轴毂部分311由紧固地连接到旋转轴4的圆筒形铁心制成。盘形部分312和312′的每一个由从轴毂部分311的两端向径向外面延伸的环形铁心制成。交替地形成沿周向相互面对的北极和南极的多个爪形磁极313从两个盘形部分312和312′的外周表面(或沿径向的外端部分)朝轴向延伸。Lundel型转子芯31由一对半芯组成，其中所述半芯的轴毂部分311沿轴向相互面对。磁场线圈32绕Lundel型转子芯31的每个轴毂部分311缠绕。定子芯33由圆筒形的磁钢制成并且沿轴向放置在中间外壳12和后外壳13之间。定子线圈34由绕定子芯33缠绕的连续段连接型定子线圈组成。

上述的主旋转电机2和次旋转电机3中的每一个都是配备有典型的Lundel型转子芯的旋转电机。因为主旋转电机2和次旋转电机3中每一个的其他元件具有与普通的Lundel型转子芯的元件相同的结构，所以在这里省略对于这些元件的说明。

虽然诸如滑环和电刷的其他元件安装在旋转轴4的后端部分上，但是那些元件也从图中省略。

非磁性材料的圆筒形隔离物9a设置在转子芯21的外盘形部分212′和转子芯31的外盘形部分312′之间。在本发明实施例中，圆筒形的隔离物9a由铜环板制成，通过所述铜环板能够在转子芯21和转子芯31之间传递热能。

前冷却风扇9和后冷却风扇10中的每一个都具有离心式冷却叶片。前冷却风扇9固定到转子芯21前侧的爪形磁极213，后冷却风扇10固定到转子芯31后侧的爪形磁极313。

前冷却风扇9通过前外壳11的前侧壁上的吸入孔引入冷却空气，加速引入的冷却空气，然后通过形成在前外壳11的圆周壁上的排出孔将加速的冷却空气输出到线圈端214以便冷却定子线圈24的线圈端214。后冷却风扇10通过后外壳13的后侧壁上的吸入孔引入冷却空气，加速引入的冷却空气，然后通过形成在后外壳13的圆周壁上的排出孔将加速的冷却空气输出到线圈端314以便冷却定子线圈34的线圈端314。

(Lundel型转子芯和定子芯的布置)

在下文中将参考图2描述根据本发明第一实施例的串联式车辆交流发电机中的Lundel型转子芯(Lundel型磁场铁心)和定子芯(电枢铁心)的布置。

图2是主要示出设置在图1所示第一实施例的串联式车辆交流发电机中的一对发电机(作为双发电机单元)的轴向剖视图。在图2中外壳1被省略以便清楚示出图1的串联式车辆交流发电机的转子和电枢的结构。

在图2中，盘形部分212和312指的是内盘形部分，并且类似地，盘形部分212′和312′指的是外盘形部分。

在图2中，参考符号C1表示Lundel型转子芯21的内盘形部分212沿轴向的中心位置，并且C2表示Lundel型转子芯21的外盘形部分212′沿轴向的中心位置。参考符号C3表示Lundel型转子芯31的外盘形部分312′沿轴向的中心位置，并且C4表示Lundel型转子芯31的内盘形部分312沿轴向的中心位置。

在图2清楚示出的第一实施例中，内盘形部分212沿轴向的中心位置C1设置在定子芯23前端表面f的后面，外盘形部分212′沿轴向的中心位置C2设置在定子芯23后端表面f′的后面。而且，外盘形部分312′沿轴向的中心位置C3设置在定子芯33前端表面b的前面，内盘形部分312沿轴向的中心位置C4设置在定子芯33后端表面b′的前面。

也就是说，与普通车辆交流发电机的情况相比，在根据本发明第一实施例的串联式车辆交流发电机中，定子芯23(电枢铁心)与Lundel型转子芯21的位置相比设置在前面区域，定子芯33(电枢铁心)与Lundel型转子芯31的位置相比设置在后面区域。

因此如果定子线圈24没有接触到外壳1前端部分的内表面(见图1)，那么可以在一定范围内向前面方向移动定子线圈24的一对线圈端241和242中的线圈端242。类似地，如果定子线圈34没有接触到外壳1后端部分的内表面(见图1)，那么可以在一定范围内向后面方向移动定子线圈34的一对线圈端341和342中的线圈端342。

如图1所示，外壳1的前端部分的内表面和后端部分的内表面的轴向位置基本上通过轴承6和7的轴向位置确定。轴承6和7中的每个的轴向位置基本上通过各Lundel型转子芯21和31沿轴向的长度确定。

在第一实施例中，定子线圈24和34由已经公知的连续段连接型定子线圈组成。例如，现有的专利文件，如下列日本专利文件：(2)日本专利No.3118837、(3)日本专利No.3178468、和(4)日本专利No.3199068。从而在这里省略定子线圈24和34的结构说明。通过连续地连接向线圈端部突出的字母U形段电导体的前尖端部分形成多相定子线圈的各相绕组。因此与普通缠绕型的车辆交流发电机中的定子线圈相比，可以减小绕定子芯23缠绕的定子线圈24的线圈端241和242每个的轴向的长度。与普通缠绕型的车辆交流发电机中的定子线圈相比，同样可以减小绕定子芯33缠绕的定子线圈34的线圈端341和342每个的轴向的长度。

因此可以将定子芯23放置在前面部分而不使线圈端241的前端部分与前外壳11接触，并且同样可以将定子芯33放置在后面部分而不使线圈端341的尖端部分与后外壳13接触。

顺便地，必须将定子芯23放置在前面部分的一定范围内，使得定子芯23的前端表面不定位在Lundel型转子芯21的前端表面之前，以便保持定子芯23和Lundel型转子芯21之间流过的磁通量。类似地，同样必须将定子芯33放置在后面部分的一定范围内，使得定子芯33的后端表面不定位在Lundel型转子芯31的后端表面之后，以便保持定子芯33和Lundel型转子芯31之间流过的磁通量。

具有上述结构的根据本发明第一实施例的串联式车辆交流发电机具有以下效果。

如从根据图2所示的第一实施例的串联式车辆交流发电机的结构中能够理解的，通过每个线圈端沿轴向的缩短，可以将轴向内侧的线圈端242放置在定子芯23的前面部分并且同样可以将轴向内侧的线圈端342放置在定子芯33位置的后面部分。该特征能够通过使用连续段连接型定子线圈获得。因此该结构能够增加线圈端242和342之间沿轴向的间隙G(见图2)而不会增加外壳1沿其轴向的长度。沿轴向的间隙G的增加能够减小线圈端242和342之间的相互热影响，其温度在串联式车辆交流发电机的工作期间会增加，从而防止线圈端242和342的温度升高。如从图1中可明显看出的那样，在与线圈端241和341比较时，因为难以有效地冷却沿轴向放置在内侧的线圈端242和342，所以增加的间隙G变成冷却串联式车辆交流发电机中的线圈端242和342的重要特征。

而且，因为通过增加沿轴向的间隙G，减小了磁连接，即线圈端242和342之间的相互感应，所以可以减小通过改变流过线圈端242和342中的相对线圈端的电流而产生的感应电压。因此可以增加控制每个定子线圈24和34的独立性。

在根据第一实施例的串联式车辆交流发电机的结构中，设置在定子线圈24和34轴向外部的每个线圈端241和线圈端341称为腿部线圈端，并且设置在定子线圈24和34轴向内部的每个线圈端242和342被称为头部线圈端。因此可以进一步减小沿轴向的间隙G。为了更详细地说明，每个定子线圈24和34由多个字母U形段的电导体制成，即具有字母U形段电导体的头部和腿部，并且前者被称为“头线圈端”且后者被称为“腿线圈端”。

因为具有连接字母U形段电导体的腿部的尖端部的必要性，所以腿线圈端具有比头线圈端沿轴向更长的长度。因此，通过利用由多个连续段连接型定子线圈制成的定子线圈的头线圈端形成沿轴向设置在定子芯24和34内侧的各个线圈端242和342可以进一步增加沿轴向的间隙G。

(设置在爪形磁极之间的永久磁体25和35)

在如图1所示的第一实施例中，每个永久磁体25布置在相邻的爪形磁极213和213之间以及相邻的爪形磁极313和313之间，其中所述爪形磁极沿各自的Lundel型转子芯21和31的周向设置。图3示出永久磁体25在Lundel转子芯21中的布置。即，图3是从朝向转子芯的中心方向观察的串联式车辆交流发电机中的Lundel型转子芯的部分展开的正视图。

在第一实施例中，因为从各个外盘形部分212′和312′朝轴向的外侧突出的各个爪形磁极213和313沿径向延伸到各个内盘形部分212和312的外面区域，所以永久磁体25和35沿径向延伸到内盘形部分212和312的外面区域。也就是说，永久磁体25的前面部分突入到内盘形部分212的后部的前面，永久磁体35的后端突入到内盘形部分312的前端的后部。因此可以减小沿周向相邻的爪形磁极313之间的磁通量的泄漏，并且可以进一步抑制内盘形部分212和312之间、以及爪形磁极213和313之间的磁通量的泄漏。也就是说，因为抑制了面向周向的爪形磁极213和313的各个表面之间和沿径向设置的内盘形部分212和312的各个表面之间产生的磁通量的泄漏，所以可以提高场磁通量并且增加串联式车辆交流发电机的输出。

(各个齿231和331的形状)

在根据本发明第一实施例的串联式车辆交流发电机中，沿径向处于定子芯(电枢铁心)23内侧的每个齿的前尖端表面的沿周向的宽度形成得比永久磁体25沿周向的宽度窄，并且沿径向处于定子芯(电枢铁心)33内侧的每个齿的前尖端表面的沿周向的宽度形成得比永久磁体35沿周向的宽度窄。

图4A是图1所示串联式车辆交流发电机中的定子芯23的部分展开的正视图。图4B是图1所示串联式车辆交流发电机中的定子芯33的部分展开的正视图。在图4A中，参考数字231表示定子芯23的齿，并且参考符号“t”表示每个齿231沿周向的宽度。在图4B中，参考数字331表示定子芯33的各齿，参考符号“t”表示每个齿331沿周向的宽度。

当沿径向处于内侧的齿231和331的前尖端表面跨过永久磁体25和35沿周向的放置区域时，可以消除或防止在齿的沿径向的前端表面上的短路磁通量的流量。因此通过减小短路磁通量的量，可以增加第一实施例的串联式车辆交流发电机的输出。

(对比例)

图5A是作为对比例的车辆交流发电机中的定子芯的部分展开正视图。图5B是作为对比例的车辆交流发电机的另一个定子芯的部分展开正视图。

在图5A和图5B中示出的作为对比例的车辆交流发电机具有一对定子芯(电枢铁心)23和33的齿231′和331′，其中沿径向处于内侧的各个齿的前尖端表面沿周向的宽度形成得比各个永久磁体25和35沿周向的宽度大。在图5B中，参考符号t′表示各个齿231′和331′的沿周向的宽度。在这种情况下，应该理解，通过沿径向处于内侧的各个齿231′和331′的前端表面，在各个永久磁体25和35的北(N)极和南(S)极之间在一对朝向永久磁体的大约周向的侧面处产生了短路。

在图4A、4B、5A和5B中，各个箭头表示永久磁体25和35的磁通量泄漏的方向，并且箭头的大小表示磁通量泄漏的量，箭头的长度表示磁路的长度。图5A和5B示出不同尺寸的箭头，所述尺寸相应于由永久磁体的倾斜引起的永久磁体25和35中各个部分的不同间隙长度。

如能从图4A和4B中明白的那样，当沿径向处于内侧的各个齿231和331的前尖端表面的沿周向的宽度变窄时，齿231和331的沿定子芯23和33的圆周表面的占据率减小。这减小了从Lundel转子芯21和31流到定子芯23和33的场磁通量的量，并且从而减小了车辆交流发电机的输出。

通过与图4A、4B、5A和5B中示出的槽的结构相比增加如图6A和6B所示的每磁极和每相的槽的数量，可以解决这样的输出减少。图6A是示出在图1所示的车辆交流发电机中的定子芯的变形实例的视图。图6B是示出在图1所示的车辆交流发电机中的定子芯的变形实例的视图。在图6A和6B中，参考符号S表示定子芯的槽。

(爪形磁极213和313的线槽结构)

当永久磁体25和35以及齿231和331的数量增加时，在爪形磁极213和313的外圆周表面上的涡电流的量增加，并且从而增加了涡电流损失，并且通过来自爪形磁极213和313的热传递增加了磁场线圈的温度。

该问题能够通过在Lundel型转子芯21中的各个爪状磁极213的表面上形成多个槽2131以便延长涡电流的电流通路的整个长度来解决，如图7所示。图7是示出在各个具有图3所示结构的爪形磁极的表面上形成的线形凹槽的实例的视图。线形槽也可以形成在Lundel型转子芯31的各个爪形磁极313的表面上。

在图7中，线形槽2131的深度大约等于爪形磁极213和定子芯23之间的间隙长度或者间隙宽度。但是，可接受的是，在只要不阻止场磁通量的流动的特定范围内改变间隙的长度。

优选的是将各个线形凹槽2131的宽度减小到尽可能窄以便防止从爪形磁极213和313流到齿231和331的磁通量的量。同样优选的是将线形凹槽2131的节距减小得比定子芯23的齿231的沿周向的宽度小。这能够提高通过延长涡电流的流动通道所获得的效果。在这种情况下，优选的是各个槽2131的深度形成得尽可能大，只要不阻止场磁通量的流动即可。

虽然在各个爪形磁极的表面上形成相互平行的线形凹槽2131的延伸方向与涡电流的流动成直角相交是优选的，但是并不限于例如图7所示的这种情况。而且，可以接受的是形成曲线形槽代替线形凹槽2131。

曲线形槽的使用能够增加爪形磁极213和313与定子芯23和33之间的磁通量密度，并且从而减小爪形磁极213和313的外周表面上的涡电流损失并且即使齿231和331的数量增加也能抑制磁场线圈的温度增加。

(实验结果)

传统的车辆交流发电机具有单个2.5kw的发电单元，该发电单元具有143mm的外径和140mm的纵向长度或轴向长度。相反，具有根据第一实施例的上述结构的串联式车辆交流发电机具有一对2.5kw的发电单元，并且每个所述单元具有143mm的外径和140mm的轴向长度。也就是说，本发明第一实施例的串联式车辆交流发电机具有一对发电单元，与传统的车辆交流发电机相比，在不增加车辆交流发电机的尺寸的情况下、即不增加车辆交流发电机的外径和轴向长度的情况下，能够独立控制所述这对发电单元。

第二实施例

将参考图8和图9描述根据本发明第二实施例的串联式车辆交流发电机的结构和特征。

图8是根据本发明第二实施例的配备有主要由Lundel型转子芯和电枢组成的单个发电单元的车辆交流发电机的示意性剖视图。图9是从朝向图8示出的Lundel型转子芯的中心点的方向观察的Lundel型转子芯的部分展开正视图。

根据第二实施例的车辆交流发电机具有单个发电单元，该发电单元的结构不同于图1示出的第一实施例的具有一对发电单元的串联式车辆交流发电机。

根据第二实施例的车辆交流发电机的第一个特征在于，Lundel型转子芯21的一对盘形部分中的一个盘形部分212的沿轴向的中心位置C11设置在定子芯23的前端表面f1的后面，并且Lundel型转子芯21的该对盘形部分中的另一个盘形部分212′的沿轴向的中心位置C21设置在定子芯23的后端表面f1′的前面。也就是说，各个盘形部分212和212′的中心位置都设置在定子芯23的内侧位置。Lundel型转子芯的该对盘形部分的这种结构能够减小Lundel型转子芯沿轴向的轴向长度。

定子线圈24由连续段连接型定子线圈组成，类似于第一实施例的定子线圈24的结构。从而可以减小定子线圈24的线圈端241和242沿轴向的长度。

此外，在第二实施例中，永久磁体25沿周向设置在相邻的爪形磁极之间，并且各个爪形磁极213延伸到内盘形部分212和212′的沿径向的各个外部区域，并且各个永久磁体25延伸到内盘形部分212和212′的沿径向的外部。从而可以防止爪形磁极213和内盘形部分212和212′之间发生磁通量泄漏。

另外，与第一实施例的结构类似，可接受的是具有与第一实施例相同的特征，其中径向内侧的定子芯(作为电枢铁心)23的各个齿的前尖端部分沿周向的宽度比永久磁体25沿周向的尽可能窄的宽度窄。也就是说，根据第一实施例的串联式车辆交流发电机的结构的各种特征能够应用于各种类型的车辆交流发电机，诸如具有相同效果和作用的普通类型车辆交流发电机。

虽然已经详细地描述了本发明的具体实施例，但是本领域的技术人员应该明白，根据该公开的总体教导能够开发出对这些细节的各种各样的修改和替换。因此，所公开的特定布置仅仅是示例性的，并不限制由所附权利要求及其所有等同物所限定的本发明的宽泛范围。

Claims (14)

1.一种车辆交流发电机，包括一对沿轴向相邻设置的发电单元，每个发电单元包括：

固定于车辆交流发电机的同一旋转轴的Lundel型磁场绕组，所述Lundel型磁场绕组包括：

轴毂部分；

一对形成在轴毂部分上相互面对的盘形部分；和

偶数个在各个盘形部分上交替形成北极和南极的爪形磁极，

以及

电枢，所述电枢包括：

圆筒形的电枢铁心，其沿径向设置在爪形磁极外侧，具有电枢绕组，所述电枢绕组绕圆筒形的电枢铁心缠绕并且由多个字母U形段的电导体组成，

其中，在每个发电单元中，作为所述一对盘形部分中的设置在Lundel型磁场绕组的轴向外侧的一个盘形部分的内盘形部分的中心位置设置在圆筒形电枢铁心的从其轴向观察的宽度内。

2.一种车辆交流发电机，包括一对沿轴向相邻设置的发电单元，每个发电单元包括：

固定于车辆交流发电机的同一旋转轴并且形成串联式转子的Lundel型磁场绕组；以及

电枢，

其中所述Lundel型磁场绕组包括：

由固定于车辆交流发电机的旋转轴的圆筒形铁心组成的轴毂部分，并且在轴毂部分的外表面上缠绕有磁场绕组；

一对相互面对的盘形部分，每个盘形部分由沿径向从轴毂部分的端部朝外侧方向延伸的环形板铁心组成；和

偶数个相互面对的爪形磁极，它们沿径向从每个盘形部分的外端部朝轴向延伸并且交替地形成北极和南极，

并且所述电枢包括固定于车辆交流发电机外壳的圆筒形电枢铁心，绕着该圆筒形电枢铁心缠绕有电枢绕组，并且所述圆筒形电枢铁心沿径向设置在爪形磁极外侧，其中电枢绕组由多个字母U形段的电导体组成并且每个导体插入通过一对沿轴向设置的槽的一侧并连续地相互连接，

其中所述一对盘形部分中的一个盘形部分形成内盘形部分，并且该内盘形部分的从轴向观察的中心位置设置在圆筒形电枢铁心的从该圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度内，并且每个发电单元的内盘形部分设置在串联式转子的轴向外侧。

3.根据权利要求2所述的车辆交流发电机，其中，所述一对盘形部分中的另一个盘形部分是外盘形部分，该外盘形部分的沿轴向的中心位置设置在圆筒形电枢铁心的从该圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度的外侧并且设置在串联式转子的轴向内侧。

4.根据权利要求3所述的车辆交流发电机，其中，在从内盘形部分伸出的各个爪形磁极和从外盘形部分伸出的爪形磁极之间的沿周向的间隙中设置有永久磁体，并且所述永久磁铁被磁化以提高爪形磁极的磁力。

5.根据权利要求4所述的车辆交流发电机，其中，处于圆筒形电枢铁心的径向内侧的每个齿的前尖端表面的沿周向的宽度比永久磁体沿周向的宽度窄。

6.根据权利要求5所述的车辆交流发电机，其中，各相具有多个位于圆筒形电枢铁心中的槽。

7.根据权利要求6所述的车辆交流发电机，其中，在每个爪形磁极的外周表面上以给定的节距形成有多个线形凹槽。

8.一种车辆交流发电机，包括Lundel型磁场绕组和电枢，其中

所述Lundel型磁场绕组包括：

由固定于车辆交流发电机的旋转轴的圆筒形铁心组成的轴毂部分，在轴毂部分的外表面上缠绕有磁场绕组；

一对相互面对的盘形部分，每个盘形部分由沿径向从轴毂部分的端部朝外侧方向延伸的环形板铁心组成；和

偶数个爪形磁极，它们相互面对并且交替地形成北极和南极，从每个盘形部分的沿径向设置的外端部朝轴向延伸，

并且所述电枢包括：

固定于车辆交流发电机外壳的圆筒形电枢铁心，绕着该圆筒形电枢铁心缠绕有电枢绕组，并且所述圆筒形电枢铁心沿径向设置在爪形磁极的外侧；和

为提高爪形磁极的磁力而被磁化的永久磁体，每个永久磁体设置在相邻爪形磁极之间的沿周向的间隙处，并且

所述一对盘形部分中的至少一个形成内盘形部分，并且所述内盘形部分的从轴向观察的中心位置设置在圆筒形电枢铁心的从该圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度内。

9.根据权利要求8所述的车辆交流发电机，其中，电枢绕组由多个字母U形段的电导体组成，并且每个字母U形段的电导体插入通过一对沿轴向设置的槽的一侧并连续地相互连接。

10.根据权利要求9所述的车辆交流发电机，其中，每个永久磁体设置成沿径向朝内盘形部分的外侧延伸。

11.根据权利要求10所述的车辆交流发电机，其中，所述一对盘形部分中的各个的轴向中心位置处于圆筒形电枢铁心的从所述圆筒形电枢铁心的轴向观察的宽度内。

12.根据权利要求11所述的车辆交流发电机，其中，处于圆筒形电枢铁心的径向内侧的每个齿的前尖端表面的沿周向的宽度比永久磁体沿周向的宽度窄。

13.根据权利要求12所述的车辆交流发电机，其中，各相具有多个位于圆筒形电枢铁心中的槽。

14.根据权利要求13所述的车辆交流发电机，其中，在每个爪形磁极的外周表面上以给定的节距形成有多个线形凹槽。

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