CN101523697A - 装备具有优化宽度的铁磁极间元件的有齿转子和装备该转子的旋转机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转电机转子(12)，其包括：旋转轴(14)；两个磁极星轮(34)，二者具有范围在90和120mm之间的相同直径且被定心安装在轴(14)上，每个磁极星轮(34)都包括圆形径向板(36)；爪(40)，朝向另一磁极星轮(34)轴向地延伸以切向地嵌套在另一磁极星轮(34)的两个相邻轴向周边爪(40)之间；极间切向空间(47)，在每个磁极星轮(34)的两个相继爪(40)的平行相对侧面(46)之间；和至少一个铁磁极间元件(52，52A，52B)，具有限定为垂直于相邻爪(40)的侧面(46)的宽度(Lf)。根据本发明，铁磁元件的有效宽度(Lf)在5mm和6mm之间。

Description

装备具有优化宽度的铁磁极间元件的有齿转子和装备该转子的旋转机械

本发明涉及一种旋转电机转子，其包括两个带爪(prong)的磁极星轮(field spider)。

本发明更具体地涉及一种特别地用于机动车辆的旋转电机转子，该转子包括：

-绕轴向旋转轴线安装的旋转轴；

-前磁极星轮和后磁极星轮，它们具有在90和120mm之间的相同外直径，且被定心安装在轴上，每个磁极星轮都包括圆形径向板；

-爪，从设置在每个磁极星轮的板的周边处的基部沿另一磁极星轮的方向一直轴向地延伸到自由端，磁极星轮的每个爪被切向地嵌套在另一磁极星轮的两个相邻轴向周边爪之间，每个爪都由两个侧面切向地界定；

-在各磁极星轮的两个相继爪的平行相对侧面之间的极间切向空间；

-至少一个铁磁元件，设置在至少一个极间空间内且具有一宽度，该宽度被限定为正交于相邻爪的侧面。

本发明还涉及一种旋转电机，该电机包括：

-根据本发明教导制造的转子；

-定子，包括与转子共轴的环形主体，该环形主体包括按预定齿距沿环形主体以规则的间隔分布的轴向沟槽，且该定子包括多相定子绕组，该多相定子绕组包括设置在相关联的一系列沟槽中的多个相绕组。

这种类型的旋转电机转子在现有技术中是已知的。当装备有这样的转子的旋转电机在使用时，每个磁极星轮的爪形成磁极，例如用于第一磁极星轮的北极和用于第二磁极星轮的南极。从一个磁极星轮的极循环到另一磁极星轮的极的磁通穿过由围绕转子的定子绕组形成的线圈。

这样的旋转电机例如是交流发电机，其用于在转子被机械地驱动旋转时在定子绕组内产生电流。

为了防止这些极发出的磁通造成定子绕组线圈短路，现有技术中已知的是提出，将由铁磁元件形成的永磁体插置在转子的两个相继的相对极之间。

本发明特别是意图通过提出前述类型的转子来改善这样的旋转电机的输出，其中铁磁元件的有效宽度在5mm和6mm之间。

根据本发明的其它特征：

-铁磁元件包括切向地堆叠在极间空间内的至少两个铁磁材料件，铁磁元件的有效宽度等于这些铁磁材料件的有效宽度的总和；

-每个爪具有梯形形状，该形状从基部向自由端会聚，每个爪的侧面相对于轴向方向形成爪角，且其中，通过减少爪角，极间空间的宽度适合于铁磁元件的宽度；

-每个磁极星轮包括6个爪；

-每个磁极星轮包括8个爪。

本发明还提出一种装备有这样的转子的旋转电机，其表现出降低的磁噪。为此，该旋转电机的特征在于，齿距小于每个爪的侧面沿轴向投影的长度，以使磁噪最小化。

根据旋转电机的其它特征：

-定子绕组包括至少六个相绕组；

-定子包括36个沟槽；

-定子包括72个沟槽；

-定子包括48个沟槽。

在阅读以下详细说明的过程中，其它优点和特点将变得显而易见，为了便于理解，应参考所附附图，其中：

-图1是装备有转子的交流发电机的轴向截面视图；

-图2是显示图1的交流发电机的定子主体的轴向视图；

-图3是图1所示的转子的磁极星轮的透视图，根据本发明，该转子包括安装在轴向爪之间的铁磁元件；

-图4是分别属于第一磁极星轮和第二磁极星轮的两个爪的部分顶视图；

-图5是类似于图4的具有部分剖切的视图，显示了装备有设置在极间空间内的铁磁元件的磁极星轮；

-图6是根据图5所示的齿的线6-6截取的截面视图；

-图7是一曲线，其表示当转子以1800r.p.m.旋转时，基于铁磁元件的有效宽度，定子内感应出的电流的强度的功效(efficacy)；

-图8是部分放大视图，其显示了磁极星轮的一个爪，该爪被设置到定子的沟槽的右边；

-图9是类似于图6的视图，其表示本发明的一变体。

在说明书的其它部分中，类似、相似或相同的元件被赋予相同的参考标号。

本说明书的其余部分采用了轴向方位、径向方位和切向方位，其中轴向方位由图1和6中的从后指向前的箭头“A”表示，径向方位垂直于转子的轴向轴线方位延伸且由图6中的从底部指向顶部的箭头“R”表示，切向方位正交于轴向“A”和径向“R”方位且由图6中的箭头“T”表示。

此外，朝向转子中间取向的径向面被称为内面，而沿相对方向取向的面被称为外面。同样，朝向轴的旋转轴线取向的轴向面被称为内面，而沿相对方向取向的轴向面被称为外面。

参考图1，在本例中，旋转电机被显示为用于具有热发动机的机动车辆的多相类型交流发电机(alternator)。显然，该交流发电机还可以是可逆的且可以包括交流发电机-起动器(alternator-starter)，特别是用于起动车辆的热发动机。

当该电机运行于交流发电机模式时，其把机械能转换为电能，如任意其它交流发电机。

当该电机运行于电动机模式时，特别是运行于起动器模式来起动车辆的热发动机时，其把电能转换为机械能。

该电机主要包括壳体10和在该壳体内的转子12，该转子包括中心轴14。中心轴14被安装为相对于壳体10绕其具有方位“B”的轴向轴线旋转。壳体10还包封有环绕转子12的定子16。

如图2所示，定子16包括与转子12共轴的环形圆柱主体18。定子由一捆轴向堆叠的金属叠层形成。环形主体18由外圆柱面20和内圆柱面22径向地界定，且由前径向环形面24和后径向环形面26轴向地界定。

环形主体18包括多个沟槽28，所述沟槽轴向地延伸以在前径向面24和后径向面26的每个中敞开。环形主体18在此为半封闭类型，即，每个沟槽28还通过轴向槽口30在内圆柱面22中径向地敞开，以实现定子绕组32在环形主体16各侧上的形成线圈端部的安装。

沟槽28绕环形主体18按两个相邻沟槽28之间的预定的切向齿距“p”以规则的间隔分布。齿距“p”在此更具体地定义为第一沟槽28的径向轴向中间平面和相邻的第二沟槽28的径向轴向中间平面之间在内圆柱面22位置处的距离。

该定子绕组32例如是六相绕组，其包括一套的六个相绕组。定子绕组32的输出连接到桥式整流器(未示出)，该桥式整流器包括整流元件，例如二极管或MOSFET类型的晶体管，特别是当该电机是可逆类型的且包括例如在文献FR-A-2.725.445(US-A-6,002,219)中所述的交流发电机-起动器时更是如此。

每个相绕组通过使用连续的导电线获得，该导电线覆盖在绝缘层中且安装在定子16的环形主体18的相关联的一系列沟槽28中。在附图所示的实施例中，定子绕组32包括六个相绕组，每6个沟槽28中插入有一个相绕组的导电线。

根据一个变体，为了降低脉动系数(ripple factor)和磁噪，定子绕组32包括两套三相绕组来形成复合定子绕组装置，这些绕组被偏置30电角度(electrical degree)，例如在文献US-A1-2002/0175589、EP-0.454.039和FR-A-2.784.248中所述。在该情况下，设置有两个桥式整流器且星形和/或三角形的三相绕组的所有组合是可能的。

应注意，在所述实施例中，从后文可看到，转子12包括8对极。因此如果如前面引用的文献FR-A-2.737.063所述那样设置有两套三相绕组，则48个沟槽28被设置在定子16的主体内，或者，如前面引用的文献US-A12002/0175589和EP-A10.454.039中的方案那样设置96个沟槽28。

显然，依赖于应用，转子12可包括不同数量的极对。

根据一个未示出的变体，为了更好地填充定子16的主体18的沟槽28，绕组通过使用例如通过焊接连接在一起的条形(bar-shaped)导体而实现，条形导体例如插针(pin)。

通常，交流发电机是多相类型的，优选地包括多于三个相绕组，如说明书中的进一步解释。特别地，一个或多个整流电桥使得特别地可以把定子16的绕组中产生的感应交流电流整流为直流电流，特别是用于为机动车辆的电池(未示出)充电和用于为机动车辆的车载系统中的负荷和耗电单元供电。

转子12是带爪的转子，例如在文献US-A1-2002/0175589和EP-A1-0.454.039中所述那样，其包括第一前磁极星轮34和第二后磁极星轮34，它们轴向地并置。每个磁极星轮34包括总体为圆形的径向板36，该径向板设置有中心孔口38，旋转轴14穿过该孔口。每个磁极星轮34被连接为与旋转轴14旋转。

如图3所示，每个磁极星轮34还包括爪40，这些爪从设置在板36的外周边处的基部42沿另一磁极星轮34的方向向内轴向地延伸到自由端44。每个磁极星轮34在此包括8个爪40。

根据一个未示出的变体，每个磁极星轮34包括6个爪40。

爪40以规则的间隔分布在磁极星轮34的板36的圆周上。所有爪40在此是相同的。

如图4所示，每个爪40具有梯形形状，该形状从基部42向自由端44会聚。每个爪40由两个径向侧面46切向地界定。更特别地，每个爪40在此形成截顶等腰三角形，该截顶等腰三角形的顶部形成爪40的自由端44，且其底部由爪40的基部42形成。每个侧面由此相对于轴向方向“A”形成相同角度“α”。自此，该角度“α”被称为“爪角”。

一个磁极星轮34的每个爪40嵌套(nest)在另一磁极星轮34的两个相继爪40之间，以使得第一磁极星轮34的爪40的每个侧面46被设置为面向第二磁极星轮34的爪40的侧面46，反之亦然。两个磁极星轮的爪40是相同的，相对的侧面46基本平行。

第一前磁极星轮34的爪40用于形成具有第一符号的磁极，例如北极，而第二后磁极星轮34的爪40用于形成具有第二符号的磁极，例如南极。因此嵌套的爪40形成交替顺序的北极和南极。

磁极星轮34彼此不接触。为此，极间的切向空间47保留在第一前磁极星轮34和第二后磁极星轮34的爪40之间。因此，两个相关联的相对侧面46彼此间隔开一宽度“Li”且它们界定出极间空间47。

在说明书的其余部分和权利要求书中，“宽度”是根据与界定出所讨论极间空间47的相对侧面46正交的轴线确定的。

参考图1，励磁线圈48轴向地嵌入在磁极星轮34的板36之间。其被转子12的具有与轴14共轴的圆柱环形芯部50形式的部分支承，该芯部包括中心孔。以非限定性的方式，芯部50在此包括两个轴向不同段，其每个都由与相关联磁极星轮34相同的材料制造。

以现有技术中已知的方式，诸如永磁体这样的铁磁元件52被设置在转子12的至少一个极间空间47中。在图中所示的例子中，转子12包括16个铁磁元件52，每个都设置在转子12的相关联极间空间47中，即，所有极间空间都装备有铁磁元件52。

根据本发明的一个未示出的变体，仅一些极间空间装备有铁磁元件52。

如图5和6所示，每个铁磁元件52在此由一个平行六面体条形成，具有平行于极间空间47的相关联侧面46的轴线，该铁磁元件全部由铁磁材料构成。在此，所有铁磁元件的形式和尺寸都相同。

铁磁元件52更特别地由两个北极和南极径向面53切向地界定，这两个径向面被设置为面向极间空间47的每个侧面46。更确切地，北极面53被设置为与北极磁极星轮的爪40的侧面46相对，而南极面53被设置为与南极磁极星轮的爪40的侧面46相对。

以现有技术中已知的方式，铁磁元件52被设置在大致轴向的沟槽54内，这些沟槽形成在界定出极间空间47的侧面46中。

更具体地，每个侧面46的外边缘都包括边沿56，该边沿切向地朝向极间空间47的内部延伸，以使得当转子12快速旋转时保持铁磁元件52径向地抵抗离心力。

当交流发电机在使用时，转子12的励磁线圈48被以一方式供电，以感应出具有轴向轴线“B”的磁场。该转子磁场由磁极星轮34引导(channel)以便经由爪40重现(re-emerge)。

设置在极间空间内的铁磁元件52被取向为防止磁通穿过极间空间47而直接从一个磁极星轮34“跳”到另一磁极星轮。因此，磁通被改变(deform)为使得其向定子16的绕组32的线圈改向(redirect)。

转子12则被驱动绕其轴线“B”旋转，且根据已知的物理现象，每个爪40径向地通过定子16的绕组32的相绕组的每个线圈的右方，这在定子16的绕组32中感应出电流。

根据本发明的教导，对于具有在90mm和120mm之间的外直径的转子12，每个铁磁元件52的有效宽度“Lf”从在4mm和10mm之间的数值范围中选择。令人惊讶地发现，通过把具有处于该有效宽度“Lf”范围内的有效宽度的铁磁元件52设置在一些或所有极间空间47内，在定子16的绕组32中感应出的电流的强度是理想的。

因此，如图7所示，通过测量发现的是，当转子12以速度1800r.p.m.旋转时，当铁磁元件52的有效宽度“Lf”落入在4mm和10mm之间的数值范围内时，定子16的绕组32中感应出的电流的强度表现为峰值。

有利地，当铁磁元件52的有效宽度“Lf”从在5mm和6mm之间的范围中选择时，可获得理想的输出。

根据本发明的另一方面，极间空间47的宽度“Li”与铁磁元件52的有效宽度“Lf”相适应，即，极间空间47的宽度“Li”必须基本等于铁磁元件52的宽度“Lf”。

实际上，极间空间47的宽度“Li”总是稍微大于铁磁元件52的宽度，以使得铁磁元件52不受到两个爪40之间的任何压应力，但是极面53必须非常靠近在一起，且理想地与侧面46接触，以实现最大效率。

为此，转子12的极间空间47的宽度“Li”必须与已知的转子相关地相适应。

不可能增加爪40的基部42的切向长度，因为该尺寸被设计约束条件限制。极间空间47的宽度“Li”由此通过减小形成在侧面46和轴向方向“A”之间的爪角“α”来调整。爪角“α”通常在10°和25°之间。

但是，该调整倾向于影响交流发电机使用时产生的噪音。

实际上，当使用时，在转子12和定子16之间循环的强大磁场在爪40上产生循环径向负荷。爪40由此在每次通过定子16的沟槽28右方时朝向外部弹性地弯曲，其对应于一个线圈的结束且对应于下一线圈的开始。因此，当转子12以非常高的速度转动时，例如大约1800r.p.m.时，爪40振动，产生通常已知为“磁噪”的令人厌恶的啸声。

为了防止该磁噪变得太强烈，每个侧面46的沿轴向投影的切向长度“La”大于定子16的沟槽28的齿距“p”，以使得爪40的侧面46在它们的整个长度上不突然地和同时地受到线圈的变化，如图7所示。每个侧面46的沿轴向投影的切向长度“La”由侧面的长度乘以爪角“α”的正弦而得到。

为了减少磁噪，通常优选的是，爪角“α”满足下面的不等式：

其中：

φ_定子是定子16的内直径，其基本等于磁极星轮34的外直径；

N是每极和每相的沟槽28的数目；

是相绕组的数目；

Hp是齿40的轴向长度。

本发明由此提出定子16装备有较大数目的沟槽28，例如36、48或更多，以使得齿距“p”减小，以适合于新的爪角“α”，即，齿距“p”小于侧面46的沿轴向投影的长度“La”。

通常沟槽28的数目是定子绕组32的相数和磁极星轮34的爪40的数目的乘积的倍数。

有利地，这样的定子16适于接收包括多于三相的定子绕组32，例如六相或双三相绕组。但是，本发明不限于该数目的相，且使得齿距“p”小于每个侧面46的沿轴向投影的长度“La”的任意其它相数也在本发明的范围之内。

根据图9所示的第二实施例，铁磁元件52由至少两个不连贯的部分52A、52B形成，其每个都由铁磁材料形成，且切向地堆叠在极间空间47内。这样的实施例例如描述于文献FR-A-2.784.248的第6和7页。

这两个部分52A、52B在此是平行六面体形的，其具有平行于侧面46的轴线。这两个部分52A、52B在此通过插置有柔性的径向粘接层而彼此固定。每个部分52A、52B具有分别被称为“LfA”和“LfB”的有效宽度。

根据本发明的教导，铁磁元件52的有效宽度等于这两个铁磁部分52A、52B的有效宽度的和“LfA+LfB”，而不包括粘接层的宽度，且落入前面限定的理想范围内。

总之，应理解，铁磁元件52的有效宽度“Lf”等于切向地堆叠在极间空间47的两个侧面46之间的所有铁磁部分52A、52B的宽度和“LfA+LfB”，而不考虑任何非铁磁材料的插置层。

Claims (10)

1.一种旋转电机转子(12)，特别地用于机动车辆，该转子包括：

轴(14)，被安装为绕轴向旋转轴线(B)旋转；

前磁极星轮(34)和后磁极星轮(34)，二者具有在90和120mm之间的相同外直径且被定心安装在轴(14)上，每个磁极星轮(34)都包括圆形径向板(36)；

爪(40)，从设置在每个磁极星轮(34)的板(36)的周边处的基部(42)朝向另一磁极星轮(34)一直轴向地延伸到自由端(42)，磁极星轮(34)的每个爪(40)被切向地嵌套在另一磁极星轮(34)的两个相邻轴向周边爪(40)之间，每个爪(40)由两个侧面(46)切向地界定；

极间切向空间(47)，在各磁极星轮(34)的两个相继爪(40)的平行相对侧面(46)之间；

至少一个铁磁元件(52，52A，52B)，设置在至少一个极间空间(47)内且具有一宽度(Lf)，该宽度被限定为正交于相邻爪(40)的侧面(46)；

其特征在于，铁磁元件的有效宽度(Lf)在5mm和6mm之间。

2.如前一项权利要求所述的转子(12)，其特征在于，铁磁元件(52)包括至少两个铁磁材料件(52A，52B)，它们切向地堆叠在极间空间(47)内，铁磁元件(52)的有效宽度(Lf)等于这些铁磁材料件(52A，52B)的有效宽度的和(LfA+LfB)。

3.如前一项权利要求所述的转子(12)，其特征在于，每个爪(40)具有梯形形状，该形状从基部(42)朝向自由端(44)会聚，每个爪(40)的侧面(46)相对于轴向方向(A)形成爪角(α)；通过减小爪角(α)，极间空间(47)的宽度(Li)适应于铁磁元件(52)的有效宽度(Lf)。

4.如前述权利要求中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，每个磁极星轮(34)包括6个爪(40)。

5.如权利要求1至3中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，每个磁极星轮(12)包括8个爪(40)。

6.一种旋转电机，包括：

如权利要求3至5中的任一项所述的转子(12)；

定子(16)，包括与转子(12)共轴的环形主体(18)，该主体包括按预定齿距(p)沿环形主体(18)以规则的间隔分布的轴向沟槽(28)，且该定子包括多相定子绕组(32)，该多相定子绕组包括被设置在相关联的一系列沟槽(28)中的多个相绕组；

其特征在于，齿距(p)小于每个爪(40)的侧面(46)沿轴向投影的长度(La)，以使磁噪最小化。

7.如前一项权利要求所述的旋转电机，其特征在于，定子绕组(32)包括至少六个相绕组。

8.如前一项权利要求结合权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，定子(16)包括36个沟槽(28)。

9.如权利要求6结合权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，定子(16)包括72个沟槽(28)。

10.如权利要求6结合权利要求4所述的旋转电机，其特征在于，定子(16)包括48个沟槽(28)。

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