CN1037477C - 车辆用交流发电机 - Google Patents

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Abstract

一种车辆用交流发电机，它有在外周周向间隔形成由转子线圈(14)激磁成交互异性的磁极铁心(11)的转子(1)，埋置在磁极铁心(11)之间的树脂保持体(21)内，周向两侧面分别与相邻各磁极铁心(11)磁化成同极性并使朝向定子线圈(41)的磁通在周向成光滑曲线变化的永久磁铁(2A)，在定子线圈(41)交流电压比电池电压高时导通，由该定子线圈(41)电压对电池充电的SiC-MOS构成的整流器。

Description

车辆用交流发电机
本发明涉及车辆用交流发电机，特别是降低交流发电机中的铁损而力图提高发电效率的交流发电机，其适用范围不仅包括通常的由发动机驱动的交流发电机，还包括在车辆制动时进行再生发电的能发电电力驱动的交流发电机或车辆行走电机的再生发电的交流发电机。
在近年来要求车辆低燃料费用的背景之下，力求提高交流发电机的发电效率。为了提高发电效率，须降低发电时的损失，必须降低占损失比例很大的铁损。
众所周知，对于同步发电机来说，其铁损Wf主要发生在定子铁中，如式(1)中所示，它是横切定子铁心的磁通变化频率f与最大磁密B的函数。
WF＝σh·f·Bm2+σe·f2·Bm2(1)
其中，第1项为磁滞损耗，第2项为涡流损耗，σk，σθ分别为由材料确定的常数。
因而，为了降低铁损Wf，须尽可能地降低上述频率f与最大磁密βm。
若以ω代表转子的角速度，则横切定子铁心的磁通量φ(t)，如式(2)中所示地包含有基本频率的2次、3次高次谐波成分。
Φ(t)＝Φ0{sinωt+k1sin(2ωt+σ1)
           +k2sin(3ωt+σ2)……}     (2)
在磁通φ(t)的变化中出现高频成分的原因是由转子磁极所形成的磁场不是平滑的正弦变化，而是有畸变，这种高频成分实际使上述频率f变高，铁损增大。
为了使磁通变化成为平滑的，在过去采取的对策是在磁极铁心表面上倒棱，或加大磁极的扭斜等。另一方面，为了减小最大磁密则采用增大定子铁心截面积等办法。
可是，在磁极铁心上进行倒棱等办法反过来会因磁极铁心表面积减小而造成发电输出的降低，综合起来有其限度。
此外，增大定子铁心截面积的办法也会相应地使定子线圈的绕间减小，交流发电机的输出阻抗增大，从而使发电输出降低，综合起来，这种情况也是有限度的。
本发明可以解决这种问题，其目的是提供一种车辆用交流发电机，它可以不产生折衷综合极限地充分地减小磁通变化频率与最大磁密度，减小内部铁损而提高发电效率。
为了达到本发明的上述目的，本发明的交流发电机的特征是它设有：
在外周的周向上以一定间隔形成的由转子线圈激磁成交互不同极性的台扇型爪状磁极的转子。
配置在上述台扇型爪状磁极之间，在周向两侧面上与相邻的上述各台扇型爪状磁极分别磁比为有同一极性，并使朝向定子线圈的磁通在圆周方向成为光滑曲线地变化的永久磁铁，以及
把上述定子线圈上产生的交流电压变换成直流电压，由该定子线圈的电流给电池充电用的MOS型晶体管构成的整流换向装置。
利用这种结构，由于设在台扇型爪状磁极之间的永久磁铁使朝向定子线圈的磁通在圆周方向光滑地变化，可以除去磁通变化中的高频成分，减少定子铁心中的铁损。
而且，由于整流换向装置是用正向电阻小的MOS管构成的，整流换向装置(所谓整流器)的电压降低减少部分可使发电电压降低，最大磁密就与之正比例地降低，同样地定子铁心中的铁损就降低了。
进而，由于减少了整流换向装置发热，通过使散热片的小型化等可实现整流换向装置整体紧凑化。
此外，本发明的车辆用交流发电机可以是三相交流发电机，即，在上述结构中，以上述定子线圈作为3相线圈，把3对串联的MOS管并联在上述电池的端子之间，并把各相的上述定子线圈连接到这些成对的MOS管的连接点上。这样，就能使三相交流发电中的发电损失降低。
此外，上述MOS管最好是使用由SiC材料形成的器件。这是由于使用SiC材料的MOS管既能确保必要的耐压能力，与通常使用Si材料器件相比还能进一步降低导通电阻，进一步降低发电电压与最大磁密，并能使定子铁心中的铁损变成足够地小。
另外，在上述的车辆用交流发电机中，还可以把上述永久磁铁容纳在隔热性树脂材料制成的保持体内并设置在上述台肩型爪状磁极之间。这样，台肩型爪状磁极产生的热就不会传到设在保持体内的永久磁铁上，故能防止由于永久磁铁温度上升而产生高温退磁，使之即使在高温上也能取得保持磁通光滑变化的效果。
在此，可使上述保持体穿过转子外周面上从前后两侧面交互地突出的上述台肩型爪状磁极之间的缝隙而构成周期地折返的环状，并在这样保持体的折返脚部之内分别容纳上述永久磁铁。借助于这种结构，就能把多个永久磁铁一体地容纳在保持体内，使永久磁铁的组装保管变得容易。另外，由于各台肩型爪状磁极是用隔热的保持体三面包围的，能阻碍过度地散热，由于适度的温升使表面电阻变大而防止涡流产生。借此还能减小台肩型爪状磁极的铁损。
进而还可以在上述台肩型爪形磁极上，至少在其周向两侧缘上设置突出的凸缘部，这些凸缘部与上述保持体的外周面相接。由于此凸缘部的存在，使台肩型爪状磁极与永久磁铁交界处的磁通变化更加光滑。而且，借助于凸缘部可实现保持体的可靠定位。
在上述各种结构中，各向异性的铁淦氧磁铁或含有稀土类磁粉的树脂磁铁都适用于作上述永久磁铁。即，把大体为电缘体的铁淦氧制各向异性磁铁或含有稀土类磁粉的树脂磁铁用作永久磁铁，使得在永久磁铁内不产生涡流，并促使损耗降低。
图1是本发明一实施例交流发电机的半剖侧视图，其转子部的剖面位于图2中I-I线位置。
图2是本发明一实施例转子的整体立体图。
图3是本发明一实施例保持体的整体立体图。
图4是本发明一实施例的转子外周部剖视图，沿图2中IV-IV线剖视。
图5是本发明一实施例的转子外周磁通变化曲线图。
图6是本发明一实施例交流发电机的电路图。
图7是本发明一实施例的MOS型晶体管剖面图。
图8是本发明一实施例的MOS管的VDS-ID曲线图。
图9是本发明一实施例的SiC-MOS管的耐压-导通电阻曲线图。
图10是本发明一实施例的电压矢量图。
图11是表示现有技术例中转子外周磁通变化的曲线图。
下面，就图中所示的实施例对本发明进行说明。
图1中示出了交流发电机的整体纵剖视图。交流发电机的机架6是由半容器状的传动机架61与后机架62对接构成的。在机架6的中心设置由轴承71、72支持的轴73，轴73通过安装在前端(图中左端)的皮带轮74，输入发动机的动力而转动。
台肩型转子铁心固定在轴73上，此转子铁心是前侧铁心12与后侧铁心13对接的结构。转子线圈14卷绕在台肩型转子铁心上，埋置在PPS等树脂制成的保持体21内的铁淦氧制的各向异性永久磁铁2A配置在靠近转子线圈14的外周处。
转子1的外观如图2所示。台肩型爪状磁极11从前铁心12与后铁心13自前后侧面向外周面上交互弯曲突出，各爪状磁极11通过对转子线圈14(图1)通电而被磁化成相互不同的磁性N、S，上述保持体21穿过这些台肩型爪状磁极11的间隙设置。
保持体21，如图3中所示，整体成环状，它仿照上述台肩型爪状磁极11(图2)的间隙在周向以一定间隔反复折迭成八字形，永久磁铁2A、2B则位于折返的各脚部211之内(在图3中只示出3个)。这些永久磁铁2A、2B，如图4中所示地，其周向的两侧面被磁化成与相邻的台肩型爪状磁极11具有同一极性，其磁化强度与经保持体21的侧壁与之相邻的台肩型爪状磁极11所出现的磁极的磁力强度相同。
进而，如图4中所示，在各爪状磁极11外周端(图的上端)周向两侧缘上突出地设置有一定宽度的凸缘部111，使其对于配置在保持体21内的磁铁至少在外径方向上部分重叠，借助这些凸缘部111使保持体21的各脚部211的两侧缘定位。
在图1中，靠近转子1的外周设置环状的定子4，在定子铁心42的圆周方向以相等间隔形成的沟槽中，以公知的结构把定子线圈41卷绕在其中。转子1转动时，由各磁极铁心11与永久磁铁2A、2B所形成的磁通横切定子线圈41，并产生交流电压。
图5中示出了这种情况下横切定子线圈41的磁通量φr的变化。而在图11中则示出不设置永久磁铁2A、2B的现有技术的转子而产生的磁通量φr变化，从图中可知，磁极铁心11的交互在不同极性间陡峭变化的磁通变化φr是借助于设在它们之间的永久磁铁2A、2B的磁通光滑连接而反向的，成为所示出的接近正弦波的状态。
从而，上面(2)式中所示的磁通变化的高频成分就变得相当小，式(1)中的频率f也变小，定子铁心铁损降低，发电效率提高。
特别是，在本实施例中，由于使磁极铁心11两侧缘上的凸缘部111在外周方向上形成对磁铁有部分重叠，提高了在磁极铁心11与永久磁铁2A、2B交界处的磁通的连接性，同时还可通过凸缘部111使永久磁铁2A、2B可靠地定位。
又由于永久磁铁2A、2B是位于有隔热性树脂制成的保持体21中的，故可不受爪状磁极11发热的影响，能防止因温度上升而高温退磁，即使在高温下也能维持光滑的磁通变化，由于把多个永久磁铁2A、2B一体地容纳在保持体21之内，使其向转子1的前铁心12与后铁心13间的组装容易，而且还减少了部件保管所需的劳力。
由于爪状磁极11被保持体21三面包围，在自己发热的情况下温度适度上升，表面电阻增大而减小了涡流，由此而可实现交流发电机内的损失降低。
进而，由于铁淦氧大体是电绝缘体使永久磁铁内产生的涡流减小，借此也能促使交流发电机内损耗的降低。
在图1中，在转子1的前后端面上设有送风扇15、16，随着转子1的转动而从驱动机架61前面与后机架62后面设置的多个吸气口611、621吸入外部空气(见图中箭头)。所吸入的外气对转子线圈14，定子线圈14及后述的电压调节器等进行冷却后，从分别设在各机架61、62外周面多个排气口612、622排出。
在从后机架62突出的轴73后端的外周上设置向转子线圈14供电的滑环75，它与电刷76相接。还设有覆盖着轴73后端部的盖体77，在此盖体77内容纳着包含有后面详述的全波整流器的电压调节器。
图6中示出给电池53充电的交流发电机的电路。电压调节器5的调压部52读出电池53的电压，对于向转子线圈14的通电进行ON、OFF(开、关)控制使电压保持一定值。
定子线圈，实际如图所示地是把各三相线圈41A、41B、41C进行Δ连接而构成的，这些线圈41A-41C的输出端电压Vv、Vu、Vw输入到形成三相全波整流器的三对MOS管51A-51F的各连接点上，并输入给调压部52。
即，各高侧管51A、51C、51E的漏极D与低侧管51B、51D、51F的源极S相连，高侧管51A、51C、51E的源极S连到电池53的高电位侧，而低侧管51B、51D、51F的漏极D则连接到电池53的低电位侧。借助于来自调压部52的输入栅极G的输入信号进行导通控制。
上述各MOS管51A-51F的结构是相同的，下面参照图7对其进行说明。
图中，在SiC材料的N+型基板上通过外延生长而形成N型耐压层512，在N型耐压层512的表面部上通过进行铝离子注入而形成P型渠部513。
进而在P型渠部513的表面部上通过氮离子注入形成N+型区，只在晶片表面上预定要形成漏极的区域上开口并用保护膜屏蔽，用公知的RIE干式蚀刻凹设出沟道515。
然后，在沟道515的表面上用热氧化法形成由硅氧化膜构成的栅绝缘膜516，再后在沟道515上形成由渗杂硅聚物构成的电极517作为栅极G。然后，把金属电极518连接到N+型区及P型沟区513的表面上形成漏极D，并把金属电极导电连接在N+型基片511的表面上作为源极S。
在上述P型沟区513(即栅电极517正下方的区域)与源极S或漏极D之间，虽然分别会产生源极连接侧的寄生二极管Ds(参见图6)与漏极连接侧的寄生二极管Dd，但由于寄生二极管Dd被短路。寄生二极管Ds就可阻止来自电池53的逆流。
下面，对于借助图6的调压部53进行的各MOS管51A-51F的开关控制加以说明。
调压部52读出三相定子铁心41A-41C的输出端电压Vu、Vv、Vw，并在其线间发电电压Vu-Vv，Vv-Vw，Vw-Vu中选择正值而且大于电池53端电压的线间发电电压。
于是，此选择的线间发电电压Vu-Vv，Vv-Vw，Vw-Vu使高侧管51A、51C、51E中的一个与低侧管51B、51D、51F中的一个导通而加于电池53上。由此，充电电流就从所选择的三相定子线圈41A-41C供到电池53中。
而在本实施例中，如在上面已述地由于使用单晶SiC作MOS管材料，与过去的使用Si材料相比能大幅度地提高N型耐压层512的厚度及不纯物浓度。
即，对于使用Si的场合，其穿电场强度约为30v/μm，为简单起见若假定N型耐压层上承受300v电压，则耐压层512必须有约20μm的厚度，其杂质浓度为1×1015原子/cm3，电阻率则为约5Ω.cm。
与其相应地，SiC的击穿电场强度则为400v/μm，N型耐压层512的所需厚度约为4μm，杂质逍度2×1016原子/cm3，电阻率则约为1.25Ω.cm。
从而，使用SiC材料的MOS管(Sic-MOS)的N型耐压层512的电阻与使用Si材料的MOS管(Si-MOS)的N型耐压层的电阻相比，可以降低到1/20。
其结果就使SiC-MOS中的寄生电阻RS(参见图7)与Si的情况相比降低到1/20，与之相应地，沟道电阻也大幅度地减小。
图8中示出了SiC-MOS的ID-VDS特性，与图中双点划线所示的二极管正向特性相比，可知即使是在75A输出电流ID的情况下其VDS很小，正向电阻也小。
图9示出了有关在改变MOS管的要求耐压时导通电阻率的计算结果的一例。而此导通电阻率为沟道电阻与N型耐压层512的电阻RS之和。沟道电阻是因各种因素而变化的，从图中可知，在高耐压领域N型耐压层512的电阻RS处于支配地位，即使耐压增加沟道电阻本身几乎不变的。
于是，相对于Si-MOS的从耐压25V附近耐压的增加其导通电阻率成比例增大的情况，在SiC-MOS中，直到耐压250V时N型耐压层512的电阻增加几乎可以忽略不计，超过耐压250V时，其电阻率才缓慢地增加。
如以上所说明的，SiC-MOS的导通电阻，能确保其对断线时加上的高电压具有足够的耐压并在大电流(75A左右)通电时也足够地小，故能降低交流发电机的发电电压。在用图10的矢量图对其进行说明时，发电电压Vi为对电池端电压Vt整流元件的电压降VF与定子阻抗产生的电压降rI、xI的矢量和。其中，r为电枢电阻，x为漏抗，I为电枢电流。
进而，若使整流元件的电压降VF减小，就能使发电电压Vi降低。大家知道，此发电电压Vi与最大磁密Bm之间存在着比例关系。由于使用导通电阻小的SiC-MOS能使电压降VF变得足够地小，故能降低发电电压Vi使最大磁密Bm变小，结果就使交流发电机的铁损减小提高发电效率。
此外，由于SiC-MOS的导通电阻小，还能减少整流换向装置的发热。从而就能做到冷却翅片的小型化，使整流换向装置及电压调节器整体紧凑，在充分保证后侧机架62(参见图1)的吸气口621的面积时能提高其冷却性能。
进而，虽然使用SiC-MOS是极为有效的，由于使用Si-MOS时也能使其大电流通电时的导通电阻比使用过去的整流二极管时的阻值小，故也能期望其有足够的效果。
此外，还可以使用除了铁淦氧磁铁以外的含有稀土类磁粉的树脂磁铁。
在上面，虽然是根据实施例对本发明进行说明的，但本发明并不局限于上述实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的情况下还可能找到其它种种变形实施方案。

Claims (7)

1、一种车辆用交流发电机，它设有
在外周的周向上以一定间隔形成的由转子线圈激磁成交互不同极性的台肩型爪状磁极的转子；
配置在上述台肩型爪状磁极之间，在周向两侧面上与相邻的上述台肩型爪状磁极分别磁化为有同一极性，并使朝向定子线圈的磁通在圆周方向成为光滑曲线地变化的永久磁铁，以及
把上述定子线圈上所产生的交流电压变换成直流电压而给电池充电的由MOS型晶体管构成的整流换向装置，其特征在于：
上述MOS型晶体管是由硅(Si)与碳(C)的化合物、电阻率比Si小的单晶SiC为基材构成的。
2、如权利要求1中所述的车辆用交流发电机，其特征在于，上述定子线圈有三相，把上述MOS管相互串连成的三对管，连在上述电池的端子间，并把各相的定子线圈连接在构成这些管对的MOS管的连接点间。
3、如权利要求1中所述的车辆用交流发电机，其特征在于，上述永久磁铁容纳在有隔热性的树脂制的保持体内，并配置于上述各台肩型爪状磁极之间。
4、如权利要求3中所述的车辆用交流发电机，其特征在于，上述保持体穿过转子外周面上从前后两侧面交互突出的上述台肩型爪状磁极之间的缝隙而形成周期的折返的环状，在这种保持体的折返脚部之内分别容纳上述永久磁铁。
5、如权利要求3或4中所述的车辆用交流发电机，其特征在于，在上述台肩型爪状磁极5，至少在其周向的两侧缘上突出设置凸缘部，并使这些凸缘与上述保持体的外周面相接。
6、如权利要求1至4中任一项所述的车辆用交流发电机，其特征在于，上述永久磁铁为各向异性的铁淦氧磁铁或含有稀土类磁粉的树脂磁铁。
7、如权利要求5所述的车辆用交流发电机，其特征在于，上述永久磁铁为各向异性的铁淦氧磁铁或含有稀土类磁粉的树脂磁铁。
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