CN107124048A - 一种发电机转子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电机转子，属于汽车发电机技术领域，用于解决发电机功率密度不佳的技术问题。该发电机转子包括一第一爪极、一第二爪极、一铁芯、一励磁线圈、一转轴，所述铁芯位于所述第一爪极和所述第二爪极之间，所述励磁线圈缠绕于所述铁芯上，所述转轴依次穿过所述第一爪极、所述铁芯、所述第二爪极，所述铁芯的磁导率和饱和值高于所述第一爪极和所述第二爪极的磁导率和饱和值。本发明所提供的发电机转子，磁场密度更大、感应电动势更大，同时，其体积小，重量轻，有利整车的轻量化设计。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发电机技术领域，尤其涉及汽车发电机的转子。
背景技术
由于结构坚固、生产成本低，并可方便的调节输出功率，爪极结构的发电机在汽车中被大量应用。发电机转子包括前后两个爪极、位于两爪极之间的铁芯和励磁线圈、转轴，其中，励磁线圈缠绕在铁芯周围，转轴依次穿过前爪极、铁芯铁芯、后爪极并将前爪极、铁芯铁芯、后爪极固定。近些年，随着车身轻量化要求的提高及涡轮增压的广泛应用，整车厂对每一个零部件减重及发动机舱对于零配件体积的要求已经越来越苛刻，由此对发电机的功率密度要求也随之变得越来越高。
为了提高发电机的功率密度，现有技术中的解决方案包括：专利文献US20020163260中记载的使用低功耗二极管或金属氧化物场效应管(MOSFET)；专利文献US6369486中记载的将转子槽中嵌入磁条；专利文献US6020669、US6097130中记载的使用扁线等特殊绕线技术以提高定子绕线槽满率；专利文献US4980588中记载的使用水冷，油冷等冷却系统，提高电机冷却能力；期刊文献《Influence of Magnetic Materials on ClawPole Machines Behavior》中记载的使用特殊材料增加磁导率，降低饱和度，从而使得在相同的励磁条件下，产生更大的磁场密度，以此提高感应电动势和输出电流。
其中，使用特殊材料以增加导磁率的现有技术，其将整个爪极材料换成高磁感的铁钴合金，这类材料的成本远远高于现有普通低碳钢，大量特殊材料的应用使得发电机的成本增加，并且，由于转子极爪的结构复杂，特殊材料的应用导致转子爪极难以批量锻造加工。
有鉴于此，如何设计一种新的发电机转子，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
为了克服现有技术中发电机转子技术问题，本发明提供了一种磁场密度更大、感应电动势更大的发电机转子。
为了实现上述发明目的，本发明公开了一种发电机转子，包括一第一爪极、一第二爪极、一铁芯、一励磁线圈、一转轴，所述铁芯位于所述第一爪极和所述第二爪极之间，所述励磁线圈缠绕于所述铁芯上，所述转轴依次穿过所述第一爪极、所述铁芯、所述第二爪极，所述铁芯的磁导率和饱和值高于所述第一爪极和所述第二爪极的磁导率和饱和值。
更进一步地，所述铁芯由以下材料中的任意一种制成：铁钴合金、纯铁、6A号钢。
更进一步地，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为低碳钢。
更进一步地，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为以下材料中的任意一种：1008号钢、 1010号钢、6A号钢。
更进一步地，部分所述铁芯由以下材料中的任意一种制成：铁钴合金、纯铁、6A号钢。
更进一步地，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为低碳钢。
更进一步地，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为以下材料中的任意一种：1008号钢、 1010号钢、6A号钢。
更进一步地，所述铁芯包括一套筒和一内核，所述套筒套设于所述内核之外，所述套筒的磁导率和饱和值高于所述内核的磁导率和饱和值。
更进一步地，所述铁芯包括一套筒和一内核，所述套筒套设于所述内核之外，所述内核的磁导率和饱和值高于所述套筒的磁导率和饱和值。
更进一步地，所述内核由两个或两个以上的圆筒组成。
更进一步地，所述铁芯包括一第一铁芯和一第二铁芯，所述第一铁芯的磁导率和饱和值高于所述第二铁芯的磁导率和饱和值。
更进一步地，所述第一爪极和所述第二爪极外径为R1，所述铁芯外径为R2，其中，1.6 ≤R1/R2≤2.4。
与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：第一、利用结构的分解，在极爪上采用了两种或两种以上的材料，将特殊材料应用于最易饱和的部分，而非全部使用，既节约了制造成本，又提高了发电机的功率密度，同时，避免了特殊材料的复杂形态加工，解决了特殊材料在机械性能上不足的问题；第二、通过提高发电机的功率密度，减小发电机的体积，从而减轻了整车重量，减少了车辆油耗；第三、通过计算得出转子外径和铁芯外径之间的最优比值，实现发电机感应电动势的最大化，即输出功率密度最大化。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是现有技术中的发电机转子最高磁饱和区域示意图；
图2是本发明所涉及的爪极和铁芯的结构示意图；
图3是本发明所涉及的感应电动势曲线图；
图4是本发明所涉及的第一实施例的发电机转子的结构示意图；
图5a是本发明所涉及的第二实施例的发电机转子的结构示意图；
图5b是本发明所涉及的第二实施例的铁芯的结构示意图；
图5c是本发明所涉及的第二实施例的爪极的结构示意图；
图6a是本发明所涉及的第三实施例的发电机转子的结构示意图；
图6b是本发明所涉及的第三实施例的铁芯的结构示意图；
图6c是本发明所涉及的第三实施例的爪极的结构示意图；
图7a是本发明所涉及的第四实施例的发电机转子的结构示意图；
图7b是本发明所涉及的第四实施例的铁芯的结构示意图；
图7c是本发明所涉及的第四实施例的爪极的结构示意图；
图8a是本发明所涉及的第五实施例的发电机转子的结构示意图；
图8b是本发明所涉及的第五实施例的铁芯的结构示意图；
图8c是本发明所涉及的第五实施例的爪极的结构示意图；
图9a是本发明所涉及的第六实施例的发电机转子的结构示意图；
图9b是本发明所涉及的第六实施例的铁芯的结构示意图；
图9c是本发明所涉及的第六实施例的爪极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中，所使用的“铁芯”一词是指，转子的绕线铁芯。
本发明的目的在于提供一种发电机转子，实现发电机功率密度的提高。
现有技术中的发电机转子，所有由励磁线圈所产生的磁通线都会经过铁芯所构成的内核，再从各个极爪及气隙传导至定子，通过在定子绕线中的交变产生感应电动势而发电。图1为现有技术中的发电机转子最高磁饱和区域示意图，图中所示的任意极爪剖面图，因为铁芯为转子励磁线圈的唯一磁路路径，阴影区域所示部分集中了所有励磁磁通，其磁通密度最高也最易饱和。
下面结合附图2-9c详细说明本发明的具体实施例。
本发明所提供的发电机转子具体包括前爪极、后爪极、励磁线圈、铁芯、转轴，其中，铁芯主要用于转子固定线圈，并在两爪极之间提供绕线空间，为线圈磁场提供低磁阻环境，利于励磁磁场的建立。铁芯和励磁线圈形成磁动势源，前后两个爪极各为磁场的南北极，前后两爪极相互交错在气隙空间产生了南北极的交错，随着转子的旋转，在定子绕线中产生交变磁场。交变磁场感应出电动势并与外部回路一起产生电流。具体结构为：励磁线圈缠绕在铁芯周围，励磁线圈和铁芯均位于前后两个爪极之间，转轴依次穿过前爪极、铁芯、后爪极，并将两个爪极和铁芯相互固定。
其中，铁芯的磁导率和饱和值高于前、后爪极的磁导率和饱和值，或者，部分铁芯的磁导率和饱和值高于剩余部分铁芯和前、后爪极的磁导率和饱和值。具体为，具有高导磁率和饱和值的铁芯或部分铁芯，其材料为高磁导率的材料，可以但不限于是铁钴合金、纯铁、6A 号钢等，而相对而言，导磁率和饱和值较低的前、后爪极和剩余部分铁芯，其材料为低碳钢，如1008号钢，1010号钢，或6A钢等。
需要说明的是，前后两个爪极和铁芯均可以使用6A号钢，使用时，只要保证至少有部分的铁芯的磁导率和饱和值高于爪极的磁导率和饱和值即可。
本发明所提供的发电机转子，仅对铁芯或部分的铁芯使用高磁导率高饱和值的材料，这种设计，一方面，由于硅、碳含量的原因，磁导率与材料的硬度往往呈反比，这种转子部分结构使用高磁导率高饱和值材料可以保证极爪在高速旋转中的强度；另一方面，电机最易饱和的部分恰恰是对强度要求最低的部分，因此，将高磁感高饱和材料应用于最易饱和部分，而非全部使用，减少了特殊材料的报废率。本发明所提供的发电机转子，最大化地应用了特殊材料，同时降低了复杂外形所带来的加工难度，在造价和工艺两方面保证了新材料的应用。
此外，图2是本发明所涉及的爪极和铁芯的结构示意图，图3是本发明所涉及的感应电动势曲线图。如图所示，根据计算所得感应电动势可知，转子外径R1和铁芯外径R2之间的比值在1.6-2.4之间时，即1.6≤R1/R2≤2.4，所得感应电动势最大，而对于发电机，更大的感应电动势则意味着更高的输出。需要说明的是，图3所示意出的感应电动势曲线图适用于下述各实施例。
具体实施例如下：
第一实施例
图4是本发明所涉及的第一实施例的发电机转子的结构示意图。如图所示，本发明提供的发电机转子为三段式结构，具体包括前爪极1、后爪极2、励磁线圈(图中未示出)、铁芯 3、转轴(图中未示出)，其中，铁芯3主要用于转子固定线圈，并在两爪极1、2之间提供绕线空间，为线圈磁场提供低磁阻环境，利于励磁磁场的建立。铁芯3和励磁线圈形成磁动势源，前后两个爪极1、2各为磁场的南北极，前后两爪极1、2相互交错在气隙空间产生了南北极的交错，随着转子的旋转，在定子绕线中产生交变磁场。交变磁场感应出电动势并与外部回路一起产生电流。具体结构为：铁芯3独立于前后两个极爪1、2部分，励磁线圈缠绕在铁芯3周围，励磁线圈和铁芯3均位于前后两个爪极1、2之间，转轴依次穿过前爪极1、铁芯3、后爪极2，并将两个爪极1、2和铁芯3相互固定。
本实施例中，通过调整转子外径和铁芯3外径之间的比值，实现感应电动势的最大化，该转子外径和爪极外径相等。本领域的普通技术人员应当知悉，一方面，铁芯3的直径增加和励磁线圈的增多都会使得励磁磁动势增加，另一方面，在转轴直径和转子外径不变的情况下，铁芯3直径的增加显然会使得励磁线圈空间的缩小。因此，铁芯3直径和励磁线圈空间之间存在一个最优点，即在此最优点时，相同转轴直径和转子外径的情况下，所产生的感应电动势最大。此最优点是由材料特性决定的。本发明所提供的发电机转子中，由于铁芯3的磁导率和饱和值都远远高于低碳钢，因此，其铁芯3直径小于现有技术中的铁芯直径，铁芯 3直径的减小可用于增加励磁线圈的绕线空间。
此外，本实施例中，本领域的普通技术人员可以根据实际使用需要，将铁芯进一步分解成两段或两段以上的多段结构。
第二实施例
图5a是本发明所涉及的第二实施例的发电机转子的结构示意图，图5b和图5c分别是该实施例中铁芯和爪极的结构示意图。如图所示，发电机转子包括前爪极、后爪极、励磁线圈 (图中未示出)、铁芯、转轴(图中未示出)，铁芯由内核和套筒组成，套筒套设于内核的外部，且套筒的磁导率和饱和值高于内核和前、后爪极的磁导率和饱和值。
第三实施例
图6a是本发明所涉及的第三实施例的发电机转子的结构示意图，图6b和图6c分别是该实施例中铁芯和爪极的结构示意图。如图所示，发电机转子包括前爪极、后爪极、励磁线圈(图中未示出)、铁芯、转轴(图中未示出)，铁芯由内核和套筒组成，套筒套设于内核的外部，内核的磁导率和饱和值高于套筒和前、后爪极的磁导率和饱和值。
第四实施例
图7a是本发明所涉及的第四实施例的发电机转子的结构示意图，图7b和图7c分别是该实施例中铁芯和爪极的结构示意图。如图所示，发电机转子包括前爪极、后爪极、励磁线圈 (图中未示出)、铁芯、转轴(图中未示出)，铁芯由内核和套筒组成，套筒套设于内核的外部，内核的磁导率和饱和值高于套筒和前、后爪极的磁导率和饱和值。进一步地，该内核由两个或两个以上的圆筒组成，并分别嵌入至套筒内。
第五实施例
图8a是本发明所涉及的第五实施例的发电机转子的结构示意图，图8b和图8c分别是该实施例中铁芯和爪极的结构示意图。如图所示，发电机转子包括前爪极、后爪极、励磁线圈 (图中未示出)、铁芯、转轴(图中未示出)，其中，铁芯由第一铁芯和第二铁芯组成，第一铁芯和第二铁芯均为圆柱体结构，第一铁芯的磁导率和饱和值高于第二铁芯和前、后爪极的磁导率和饱和值。
此外，本发明所提供的上述五个实施例中的发电机转子，铁芯和爪极之间可以是相互独立的结构，也可以是一体式结构，本发明对此并不具体限定。并且，进一步地，本发明提供的第六实施例的发电机转子结构如图9a、图9b、图9c所示，图9a是发电机转子的结构示意图，图9b和图9c分别是该实施例中铁芯和爪极的结构示意图。如图所示，当铁芯和爪极之间为相互独立的结构时，铁芯和爪极之间的相互固定并不限于由转轴实现该固定，其可以通过在爪极上开设通孔，进一步将铁芯嵌入至该通孔中，以此实现铁芯和爪极之间的相互固定，其中的铁芯由高磁导率高饱和材料制成。
与现有技术相比较，本发明所提供的发电机转子具有以下优点：第一、利用结构的分解，在极爪上采用了两种或两种以上的材料，将特殊材料应用于最易饱和的部分，而非全部使用，既节约了制造成本，又提高了发电机的功率密度，同时，避免了特殊材料的复杂形态加工，解决了特殊材料在机械性能上不足的问题；第二、通过提高发电机的功率密度，减小发电机的体积，从而减轻了整车重量，减少了车辆油耗；第三、通过计算得出转子外径和铁芯外径之间的最优比值，实现发电机感应电动势的最大化，即输出功率密度最大化。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (12)
1.一种发电机转子，包括一第一爪极、一第二爪极、一铁芯、一励磁线圈、一转轴，所述铁芯位于所述第一爪极和所述第二爪极之间，所述励磁线圈缠绕于所述铁芯上，所述转轴依次穿过所述第一爪极、所述铁芯、所述第二爪极，其特征在于，所述铁芯的磁导率和饱和值高于所述第一爪极和所述第二爪极的磁导率和饱和值。
2.如权利要求1所述的发电机转子，其特征在于，所述铁芯由以下材料中的任意一种制成：铁钴合金、纯铁、6A号钢。
3.如权利要求2所述的发电机转子，其特征在于，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为低碳钢。
4.如权利要求3所述的发电机转子，其特征在于，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为以下材料中的任意一种：1008号钢、1010号钢、6A号钢。
5.如权利要求1所述的发电机转子，其特征在于，部分所述铁芯由以下材料中的任意一种制成：铁钴合金、纯铁、6A号钢。
6.如权利要求5所述的发电机转子，其特征在于，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为低碳钢。
7.如权利要求6所述的发电机转子，其特征在于，所述第一爪极和所述第二爪极的材料为以下材料中的任意一种：1008号钢、1010号钢、6A号钢。
8.如权利要求1所述的发电机转子，其特征在于，所述铁芯包括一套筒和一内核，所述套筒套设于所述内核之外，所述套筒的磁导率和饱和值高于所述内核的磁导率和饱和值。
9.如权利要求1所述的发电机转子，其特征在于，所述铁芯包括一套筒和一内核，所述套筒套设于所述内核之外，所述内核的磁导率和饱和值高于所述套筒的磁导率和饱和值。
10.如权利要求9所述的发电机转子，其特征在于，所述内核由两个或两个以上的圆筒组成。
11.如权利要求1所述的发电机转子，其特征在于，所述铁芯包括一第一铁芯和一第二铁芯，所述第一铁芯的磁导率和饱和值高于所述第二铁芯的磁导率和饱和值。
12.如权利要求1所述的发电机转子，其特征在于，所述第一爪极和所述第二爪极外径为R1，所述铁芯外径为R2，其中，1.6≤R1/R2≤2.4。
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- 2017-05-02 CN CN201710300944.4A patent/CN107124048A/zh active Pending
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