CN106936280B - 一种车用交流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车用交流发电机，涉及发电机技术领域。该车用交流发电机包括前端盖、后端盖及固定在前端盖与后端盖之间的转子和定子，转子包括交叉安装的前极爪和后极爪，前极爪与后极爪之间设置有线圈架，线圈架上绕设有转子线圈，定子包括定子铁芯及缠绕在定子铁芯上的定子线圈；定子线圈每槽的相匝数Ns与转子线圈的匝数Nr比为：0.017≤Ns/Nr≤0.029，定子线圈的铜线直径D与定子铁芯每槽开口宽度W比为：0.4<D/W<0.7。本发明在满足绕线工艺的前提下，达到漏磁系数与磁阻的优化设计，提高了发电机的输出功率；同时，能使发电机在高速与低速下输出较佳，不会出现极端化现象，有效减小了发电机的铜损。

Description

一种车用交流发电机

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种车用交流发电机。

背景技术

在汽车中，交流发电机的作用是将发动机的部分机械能转变成电能，从而为汽车的用电设备或蓄电池进行供电。现有车用交流发电机一般包括端盖、转子、定子、皮带轮、整流桥等部件，在运行过程中，由于发电机自身设计不合理(如定子结构、转子结构、转子与定子配合间隙等)，容易导致发电机铜损大、噪音大、漏磁严重，进而大大降低了发电机的能量转化率和发电功率，影响了发电机的输出性能。基于上述原因，现有车用交流发电机一般采用大尺寸的结构设计，以保证汽车的用电需求，然而随着目前汽车小型化、轻型化的发展趋势，这种输出功率低，体积大的交流发电机越来越无法满足用户的需求。

发明内容

基于以上所述，本发明提供一种车用交流发电机，以解决现有交流发电机发电效率低、输出功率小、体积大、风噪大的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种车用交流发电机，包括前端盖、后端盖及固定在前端盖与后端盖之间的转子和定子，所述转子包括交叉安装的前极爪和后极爪，所述前极爪与后极爪之间设置有线圈架，所述线圈架上绕设有转子线圈，所述定子包括定子铁芯及缠绕在定子铁芯上的定子线圈；所述定子线圈每槽的相匝数Ns与转子线圈的匝数Nr比为：0.017≤Ns/Nr≤0.029，所述定子线圈的铜线直径D与定子铁芯每槽开口宽度W比为：0.4<D/W<0.7。

作为优选，所述定子铁芯的前端面到前极爪底板内侧的距离L2与前极爪底板的厚度L1之比为：L2/L1≤0.19；和/或所述定子铁芯的后端面到后极爪底板内侧的距离L2’与后极爪底板的厚度L1’之比为：L2’/L1’≤0.19。

作为优选，所述前极爪的爪尖到定子铁芯前端面的距离Lp与所述定子铁芯的高度L3之比为：Lp/L3≥0.91；和/或所述后极爪的爪尖到定子铁芯后端面的距离Lp’与所述定子铁芯的高度L3之比为：Lp’/L3≥0.91。

作为优选，所述前极爪爪跟的厚度X1与所述前极爪底板的厚度L1之比为：0.91≤X1/L1≤1.2；和/或所述后极爪爪跟的厚度X1’与所述后极爪底板的厚度L1’之比为：0.91≤X1’/L1’≤1.2。

作为优选，所述前极爪爪尖的厚度X2与所述前极爪爪跟的厚度X1之比为：0.26≤X2/X1≤0.5；和/或所述后极爪爪尖的厚度X2’与所述后极爪爪跟的厚度X1’之比为：0.26≤X2’/X1’≤0.5。

作为优选，所述前极爪及后极爪的爪尖均设有爪尖倒角圆，所述爪尖倒角圆由开设在模具上的冷挤槽挤压成型，且所述爪尖倒角圆的半径R的取值为：R≥2mm。

作为优选，所述前极爪到后极爪的周向距离Y与所述定子铁芯的齿脚宽度X之比为：1.5≤Y/X≤1.99。

作为优选，所述定子铁芯的齿中宽度bt与铁芯槽高度ht之比为：0.3≤bt/ht≤0.39。

作为优选，所述转子前端安装有前风扇，所述前风扇的风叶顶部到定子线圈前端的距离t与前风扇风叶的高度h之比为：t/h≤0.19；和/或所述转子后端安装有后风扇,所述后风扇的风叶顶部到定子线圈后端的距离t’与后风扇风叶的高度h’之比为：t’/h’≤0.19。

作为优选，所述前极爪及后极爪的根部均开设有风切倒角，所述风切倒角为一平面。

本发明的有益效果为：

本发明通过调整定子线圈每槽的相匝数与转子线圈的匝数比，能在满足绕线工艺的前提下，达到漏磁系数与磁阻的优化设计，大大提高了发电机的输出功率；通过调整定子线圈铜线直径与定子铁芯槽开口宽度比，使发电机在高速与低速下输出较佳，不会出现极端化现象，有效减小了发电机的铜损。上述比例的配合设置，保证了转子与定子铁芯的磁场饱和程度最佳，同时兼顾了转子的机械强度、风噪等因素，使发电机在拥有高输出同时，噪音更低，机械强度更好，发电效率更高，而且振动小，工作平稳；进而，在具有同等输出的基础上，本发明有效减小了发电机的体积，节约了生产成本和车内空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的车用交流发电机的爆炸结构图；

图2是本发明提供的车用交流发电机的内部结构剖视图；

图3是本发明所涉及的转子的安装结构图；

图4是本发明所涉及的前极爪的结构图；

图5是本发明所涉及的前极爪的另一角度结构图；

图6是本发明所涉及的前极爪的剖视图；

图7是本发明所涉及的后极爪的剖视图；

图8是本发明所涉及的定子铁芯槽的局部结构图；

图9是本发明所涉及的定子铁芯的齿的结构图；

图10是车用交流发电机的电磁噪音曲线图。

图中：

11-前端盖；12-后端盖；21-前极爪；211-底板；212-爪部；213-前磁轭；214-风切倒角；22-后极爪；23-转子线圈；24-转子轴；31-定子铁芯；32-定子线圈；4-皮带轮；5-整流桥；6-罩盖；71-前风扇；72-后风扇；

S1、S3为现有技术中车用交流发电机的电磁噪音曲线；

S2为本发明的车用交流发电机的电磁噪音曲线。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图10所示，本实施例提供一种优选的车用交流发电机，该交流发电机包括前端盖11、后端盖12、及固定在前端盖11与后端盖12之间的转子和定子，其中转子固定在转子轴24上，定子安装在转子的外部。具体的，上述转子包括相互交叉安装的前极爪21和后极爪22，用于进行导磁及散热；前极爪21与后极爪22之间设置有线圈架，线圈架上绕设有转子线圈23，用于在通直流电以后产生励磁。上述的定子包括定子铁芯31及缠绕在定子铁芯31上的定子线圈32；定子铁芯31用于导磁及散热，定子线圈32用于在变化的磁场里产生交流电。该交流发电机的前端通过皮带轮4与汽车的发动机连接，能够将发动机的动能转化为电能；发电机的后端与整流桥5和调节器连接，用于将稳定的电能输送给车内用电设备；发电机的后端还罩设有罩盖6，以起到保护作用。在本发明中，定子线圈32每槽的相匝数Ns与转子线圈23的匝数Nr之比为：0.017≤Ns/Nr≤0.029，这里，每槽的相匝数Ns是指定子铁芯31中每槽单相嵌入的线圈匝数。上述比值的设置，能在满足绕线工艺的前提下，使发电机达到漏磁系数与磁阻的优化设计，大大提高了发电机的输出功率；同时，定子线圈32的铜线直径D与定子铁芯31每槽开口宽度W之比为：0.4<D/W<0.7，本发明通过调整上述比值，使发电机在高速与低速下输出较佳，不会出现极端化现象，有效减小了该交流发电机的铜损。

具体地，上述定子线圈32每槽的相匝数Ns为7匝，转子线圈23的匝数Nr为315匝，两者之比Ns/Nr为0.022；同时，定子线圈32的铜线直径D为0.88㎜，定子铁芯31每槽开口宽度W为1.77㎜，两者之比D/W为0.497。通过上述具体尺寸的调整、组合，本发明保证了转子与定子的磁场饱和程度最佳，同时兼顾了转子的机械强度、风噪等因素，使发电机在拥有高输出同时，噪音更低，机械强度更好，发电效率更高；进而，在具有同等输出的基础上，本发明使发电机的定子直径尺寸达到124.5㎜，有效减小了发电机的体积，从而节约了发电机的生产成本和所占用的车内空间。此外，本发明的发电机是在综合考虑各种因素下的优化设计，其中每个部件的尺寸及相应比例均具有确定的配合关系；因此，本发明并不是现有技术中的体积较大的发电机的同比例缩小，那样将会严重影响发电机的工作效率。

本发明中，如图4和图5所示，前极爪21包括底板211及均匀设置在底板211上的若干爪部212；后极爪22的结构与前极爪21相同，此处不再赘述；前极爪21与后极爪22之间还设置有磁轭，磁轭可以是独立设置、并安装在前后两底板之间的结构，也可以是与前极爪21和/或后极爪22的底板一体成型的结构，本实施例中优选采用磁轭与极爪一体制作的结构，即前极爪21上设有一半的前磁轭213，后极爪22上设有一半的后磁轭，转子安装时前、后两半磁轭对接形成整个磁轭。进一步地，如图2、图6所示，上述定子铁芯31的前端面到前极爪21底板内侧的距离L2与前极爪21底板的厚度L1之比为：L2/L1≤0.19；同时，为满足发电机结构的对称性并进一步优化发电机性能，本实施例定子铁芯31的后端面到后极爪22底板内侧的距离L2’与后极爪22底板的厚度L1’之比也设置为：L2’/L1’≤0.19。具体地，上述L2和L2’均为2.19㎜，L1和L1’为12㎜，该设置有效增大了交流发电机的感应电动势，从而改善了发电机输出功率，提高了电能转化效率。

优选地，本实施例中，磁轭直径D2与转子直径D1的比值为：0.55≤D2/D1≤0.62，其中，磁轭直径D2为53.75㎜(即磁轭半径R2为26.875㎜)，转子直径D1为96㎜(即转子半径R1为48㎜)；这里，转子直径确定后，与之相配的定子直径也基本确定，从而得到电机的整体尺寸。上述比例的设置使爪尖漏磁最小，感应电动势最大，在同直径下保证功率密度最优。

如图2所示，本发明前极爪21的爪尖到定子铁芯31前端面的距离Lp与定子铁芯31的高度L3之比为：Lp/L3≥0.91；同时，后极爪22的爪尖到定子铁芯31后端面的距离Lp’与定子铁芯31的高度L3之比也为：Lp’/L3≥0.91。具体地，上述Lp和Lp’均为29.92㎜，L3为32.4㎜。同时，本发明定子铁芯31的高度L3与磁轭高度L4_总之比为：1≤L3/L4_总≤1.24，其中L4_总为26.54㎜。如图6、图7所示，由于本实施例中磁轭与极爪为一体式结构，整个磁轭由前极爪21上的前磁轭213与后极爪22上的后磁轭组成，其中前磁轭213的高度为L4，后磁轭的高度为L4’，L4与L4’之和为L4_总，考虑到对称结构，这里，L4及L4’分别为L4_总/2。进一步地，本发明前后极爪的总高为Lr，且Lr＝L1+L4_总+L1’，这里定子铁芯31的高度L3与前后极爪的总高Lr之比为：0.56≤L3/Lr≤0.69，其中Lr为50.54㎜。该方案使得交流发电机在同等直径下能具有最佳的功率密度，在保证极爪的机械强度下感应电动势最大化，使输出和效率最大化，有利于减小发电机的体积。

进一步地，上述前极爪21爪跟的厚度X1与前极爪21底板211的厚度L1之比为：0.91≤X1/L1≤1.2；同时，后极爪22爪跟的厚度X1’与后极爪22底板的厚度L1’之比也为：0.91≤X1’/L1’≤1.2。具体地，上述X1和X1’均为11.17㎜，L1和L1’均为12㎜，该方案在保证前、后极爪机械强度的前提下，增大了发电机感应电动势，从而使发电机具有较好的输出能力和发电效率。

更进一步地，上述前极爪21爪尖的厚度X2与前极爪21爪跟的厚度X1之比为：0.26≤X2/X1≤0.5；同时，后极爪22爪尖的厚度X2’与后极爪22爪跟的厚度X1’之比为：0.26≤X2’/X1’≤0.5。具体地，上述X2和X2’均为3.09㎜，X1和X1’均为11.17㎜，该方案进一步增大了交流发电机的感应电动势，使发电机具有更好的输出能力和发电效率。

作为优选，本发明前极爪21及后极爪22的爪尖均设有爪尖倒角圆，爪尖倒角圆由开设在模具上的冷挤槽挤压成型，且爪尖倒角圆的半径R的取值为：R≥2mm，优选地可以取R＝3mm。由于现有极爪的爪尖顶部面积太小，加工时无法通过挤压工艺达到要求的尺寸；而本方案通过增大极爪爪尖倒角圆，扩大了爪尖的面积，方便使用挤压工艺进行加工，提高了生产效率，节约了成本。

优选地，前极爪21到后极爪22的周向距离Y与定子铁芯31的齿脚宽度X之比为：1.5≤Y/X≤1.99。上述前极爪21到后极爪22的周向距离Y是指，交叉安装后相邻的前极爪21爪部与后极爪22爪部形成的槽沿发电机周向的宽度，具体地，上述的Y为7.48㎜，X为4.51㎜，本方案减小了极爪爪尖的漏磁量，增大了发电机感应电动势。

此外，如图8所示，定子铁芯31的齿可以为上下齿宽度一致的结构，上述定子铁芯31的齿中宽度bt与铁芯槽高度ht之比为：0.3≤bt/ht≤0.39。具体地，此处的bt为3.28㎜，ht为9.17㎜。本方案在考虑到定子铁芯31加工工艺的前提下，调整了定子铁芯槽的绕线空间，优化了铁芯磁路饱和度，提高了发电机输出功率。这里，如图9所示，定子铁芯31的齿还可设为上下齿宽度不一致的结构，如：齿的下端较窄的齿宽为bt_min，齿的上端较宽的齿宽为bt_max，此时bt＝(bt_min+bt_max)/2，上述结构与图8中上下等宽的齿结构相比，在能调整定子铁芯槽的绕线空间，优化铁芯磁路饱和度，提高发电机输出功率的同时，更重要的是方便扁铜线的嵌入从而提高铁芯槽空间利用率。

更为优选地，上述转子前端安装有前风扇71，前风扇71的风叶顶部到定子线圈32前端的距离t与前风扇71风叶的高度h之比为：t/h≤0.19，其中t为1.75㎜，h为11.70㎜；转子后端安装有后风扇72,后风扇72的风叶顶部到定子线圈32后端的距离t’与后风扇72风叶的高度h’之比也为：t’/h’≤0.19，其中t’为2.59㎜，h’为14㎜，该比例的设置，能使发电机在0-22000转/分钟之内相应转速下的噪音降低1-4dB，同时增加了发电机的散热能力，使进风量与被冷却面积及风噪达到最优化，从而提高了风扇冷却效率，减小了噪音污染，改善了发电机性能。

进一步地，上述前极爪21及后极爪22的根部均开设有风切倒角214，风切倒角214为一平面，可由三点成面制得，优选设置在极爪转动的迎风侧，该结构有效缓和了进风冲击，从而减小了发电机的工作噪音，而且只设置在迎风侧还能节约加工制作成本。如图10所示，S1、S3为现有技术中车用交流发电机的电磁噪音曲线，S2为本发明的车用交流发电机的电磁噪音曲线，从图10中可以看出，本发明的交流发电机噪音较小，且较为平缓，因而提升了发电机的整体性能。

如下表1为改进前的交流发电机的性能试验结果，下表2为本发明改进后的交流发电机的性能试验结果，其中，在车辆用交流发电机的效率评价中，使用VDA(Verband derAutomobil industrie：德国汽车工业会)作为评价指标。

表1 交流发电机改进前试验结果

表2 本发明交流发电机改进后试验结果

在本实施例的设置下，该发电机效率可到达69％，而在同等定子直径条件下的传统发电机的效率约是66％，因而本发明发电机的效率可提高4.5％。综上，本发明提供的车用交流发电机在经过上述各个改进后，有效提高了发电机的发电效率，减少了能源浪费，减小了噪音污染；相对于现有同等输出的发电机而言，本发明减小了发电机的体积，从而节约了发电机的生产成本和所占车内空间。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种车用交流发电机，包括前端盖、后端盖及固定在前端盖与后端盖之间的转子和定子，其特征在于，所述转子包括交叉安装的前极爪和后极爪，所述前极爪与后极爪之间设置有线圈架，所述线圈架上绕设有转子线圈，所述定子包括定子铁芯及缠绕在定子铁芯上的定子线圈；所述定子线圈每槽的相匝数Ns与转子线圈的匝数Nr比为：0.017≤Ns/Nr≤0.029，所述定子线圈的铜线直径D与定子铁芯每槽开口宽度W比为：0.4<D/W<0.7；

所述前极爪爪尖的厚度X2与所述前极爪爪跟的厚度X1之比为：0.26≤X2/X1≤0.5；和/或所述后极爪爪尖的厚度X2’与所述后极爪爪跟的厚度X1’之比为：0.26≤X2’/X1’≤0.5；

所述前极爪及后极爪的爪尖均设有爪尖倒角圆，所述爪尖倒角圆由开设在模具上的冷挤槽挤压成型，且所述爪尖倒角圆的半径R的取值为：R≥2mm；

所述前极爪到后极爪的周向距离Y与所述定子铁芯的齿脚宽度X之比为：1.5≤Y/X≤1.99；

所述定子铁芯的齿中宽度bt与铁芯槽高度ht之比为：0.3≤bt/ht≤0.39；

所述转子前端安装有前风扇，所述前风扇的风叶顶部到定子线圈前端的距离t与前风扇风叶的高度h之比为：t/h≤0.19；和/或所述转子后端安装有后风扇,所述后风扇的风叶顶部到定子线圈后端的距离t’与后风扇风叶的高度h’之比为：t’/h’≤0.19；

所述前极爪及后极爪的根部均开设有风切倒角，所述风切倒角为一平面。

2.根据权利要求1所述的车用交流发电机，其特征在于，所述定子铁芯的前端面到前极爪底板内侧的距离L2与前极爪底板的厚度L1之比为：L2/L1≤0.19；和/或所述定子铁芯的后端面到后极爪底板内侧的距离L2’与后极爪底板的厚度L1’之比为：L2’/L1’≤0.19。

3.根据权利要求2所述的车用交流发电机，其特征在于，所述前极爪的爪尖到定子铁芯前端面的距离Lp与所述定子铁芯的高度L3之比为：Lp/L3≥0.91；和/或所述后极爪的爪尖到定子铁芯后端面的距离Lp’与所述定子铁芯的高度L3之比为：Lp’/L3≥0.91。

4.根据权利要求3所述的车用交流发电机，其特征在于，所述前极爪爪跟的厚度X1与所述前极爪底板的厚度L1之比为：0.91≤X1/L1≤1.2；和/或所述后极爪爪跟的厚度X1’与所述后极爪底板的厚度L1’之比为：0.91≤X1’/L1’≤1.2。