CN1093332C - 具有双励磁的电机，特别是机动车交流发电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机，包括一个定子(1)和一个转子(2)。定子具有至少一个电枢绕组(14)，转子包括有选择地建立闭合磁路的装置。用于建立闭合磁路的装置包括至少两个永久励磁磁铁(27)，它们建立两个磁通，其具有相对方向的分量；以及至少一个励磁绕组(26)，它在各对接续的磁铁之间，以可调方式产生两个磁通分量，与该对磁铁所建立的磁通相对。励磁绕组的线安排在转子槽(23)中，各转子槽位于两个接续的转子极(25)之间。

Description

具有双励磁的电机，特别是机动车交流发电机

本发明一般地说涉及旋转电机，例如机动车交流发电机。

常规机动车交流发电机由一台单相或多相发电机组成，该发电机一般包括一个定子，在定子内部安排一个转子以便旋转，转子具有一个励磁绕组。该励磁绕组通过与安排在转子轴的突起部分上的两个滑环相接触的电刷供给电流。

特别是，从欧洲专利说明书No.EP O 707 374A已知，提供这样的旋转电机，其中特别为了增加电机的功率输出，用永久磁铁和励磁绕组来同时产生转子的励磁磁场。这种情况一般称为混合励磁。在这样的电机中，控制电机的电枢所传送的电流(用和励磁绕组相联的开关装置)。安排这样的开关装置，以使励磁的方向能够有选择地反向，因此减小永久磁铁的磁通，或甚至抵消它。

这种使励磁电流的方向反向的必要性使得有必要使用H型半导体开关桥，这种开关桥相对昂贵，并且因此提高了电机的销售价格。

本发明的一个目的是克服上述缺陷，并且提供一种电机，特别是一种旋转电机，例如交流发电机，它具有混合励磁，并且其中通过对绕组按单向方式所产生的励磁进行工作，并且特别使绕组所产生的励磁在一个实质零值与一个最大值之间变化，以便分别传送一个受限制或甚至实质为零的能量和一个最大能量，则能获得对传送电流的调节或调整。

本发明的另一个目的是在这样的电机中，当电机在受励状态时，特别通过使转子内部例如由圆周磁通所引起出现的磁通损失最小，来保证良好地恢复永久磁铁所产生的磁通。

根据本发明，在第一方案中，一种电机包括一个定子和一个转子，定子包括至少一个电枢绕组，安放在至少一对定子槽中，转子包括适合于在通过该一个或多个电枢绕组的环路周围，有选择地建立闭合磁路的装置，其特征在于，所述装置包括至少两个永久励磁磁铁，它们适合于建立两个磁通，这两个磁通在根据转子位移的方向，具有相对方向的分量，以及至少一个励磁绕组，它在各所述磁铁和下一个接续的磁铁之间(这两个磁铁一起构成一对磁铁)，并具有两线，且适合于产生两个可调分量的磁通，该磁通与所述对磁铁所产生的磁通相对，所述绕组的线安放在转子槽中，各线位于转子的两个接续的极之间。

根据本发明的一个优选特点，各所述磁铁安放在一个槽中，该槽这里称为磁槽，并且沿一般径向取向，所述磁铁适合于建立一般的圆周磁通，并且所述转子槽构成一组槽，以便各转子极由一对所述转子槽来定界，并且定界在它们之间，转子槽接续的地包围一个所述磁铁，至少一个励磁绕组，等等。在这种情况的优选实施例中，在转子中安排装置，以限制各磁铁与转子轴之间的反向磁通的环流量。

根据本发明的另一个优选特点，各磁铁安放在一个和转子的一个磁极沿径向成直线对准的座中，并且安排为产生一般的径向磁通，而转子沿圆周接续的地包括空的第一槽，然后是奇数个绕组极，等等，第一槽的各对处在一个磁极两侧，而邻近绕组极成对地定界各个绕组槽，绕组槽包含一个或多个励磁绕组。

在这种后述情况下，在该电机的优选实施例中，在一方面转子与另一方面定子的接续极之间，空气间隙交替地为第一尺寸和与所述第一尺寸不同的第二尺寸，磁极具有较小空气间隙。

根据本发明的又一个优选特点，在两个接续的磁铁之间安排具有两线的单励磁绕组。

在本发明的一些实施例中，转子具有总数等于六的倍数的若干极。在其他实施例中，转子具有总数等于四的倍数的若干磁极。

根据本发明的又一个优选特点，在两个接续的磁铁之间安排至少两个绕组，各所述绕组具有按相同方向缠绕的两线。

根据本发明，在第二方案中，一种电机包括一个定子和一个转子，定子包括至少一个电枢绕组，安放在至少一对定子槽中，这对定子槽在它们之间限定多个定子极，转子具有多个和定子极有关的转子极，以及适合于经过定子极和转子极，在通过该一个或多个电枢绕组的线周围，有选择地建立闭合磁路的装置，其特征在于，所述装置包括永久励磁磁铁和励磁绕组，使永久磁铁和励磁绕组这样来安排，以便当无电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置由交替系列的相同北极和南极组来组成，北极和南极组中极数相同，为大于一的奇数，以及在于，当电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置由单个交替的北极和南极组成。

根据本发明，在第三方案中，一种电机包括一个定子和一个转子，定子包括至少一个电枢绕组，安放在至少一对定子槽中，这对定子槽在它们之间限定多个定子极，转子具有多个和定子极有关的转子极，以及适合于经过定子极和转子极，在通过该一个或多个电枢绕组的线周围，有选择地建立闭合磁路的装置，其特征在于，所述装置包括永久励磁磁铁和励磁绕组，使永久磁铁和励磁绕组这样来安排，以便当无电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置交替地由一个给定单个极和一系列比一大的奇数个相反极来组成，以及在于，当电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置由单个交替的北极和南极组成。

根据本发明结合了上述特点中任何或所有的旋转电机虽然不是必定地，但是典型地是用于机动车的交流发电机。

阅读以下仅作为非限定例子，并参考附图给定的本发明的一些优选实施例的详细叙述，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

图1是在一个平面中显现的示意图，表示本发明第一基本实施例中旋转电机的定子和转子组件，图1表示其绕组在非励磁状态下的电机。

图2是和图1类似的视图，但是表示绕组在励磁状态下的电机。

图3是根据本发明在一个特别实际实施例中电机一例的横断面的示意图。

图4又以显现形式示意表示图1所示本发明第一基本实施例中电机的转子部分，但是图4表示电机的转子部分的另一种型式。

图5以横断面示意表示在非励磁状态下，本发明第二基本实施例中转子和定子组件。

图6表示和图5相同的转子和定子组件，但是在励磁状态下。

图7以横断面示意表示又一型式下的定子和转子组件，它是对图5和图6所示型式的一种改变。

图8表示对本发明第二基本实施例的电机的改进。

首先应该注意，在附图中一个图与另一个图之间，那些相互之间相同或类似的元件或部分尽可能用同样的标号来表示。

首先参考图1和图2，它们示意表示根据本发明的单相或多相电机的定子1的部分和转子2的相应部分。为了方便，本叙述将针对电机为交流发电机的情况。

定子1有一个构架12，它限定一个连续的环形结构，在其内周形成一组定子槽13。这些定子槽13完全按常规方式包含电枢绕组14的线。定子槽13有偶数个，并且它们以规则间隔沿圆周隔开，在它们之间留有凸极15。

对于转子2，它有一个构架22，其为一般圆柱形，并且其中形成多个转子槽23。槽23在它们之间限定突起转子极25，转子极25的角间距在本例中和定子极15的角间距相同，单相电机就是如此。根据具体情况，转子槽23安放永久磁铁27或励磁绕组的线26。在永久磁铁27的情况下，其磁力线实质上成切线取向，也就是说在图1和图2所示显现形式下沿转子结构取向。

因此，转子的邻近槽按下列这样次序接续的包含：

-一个具有第一极性的磁铁27；

-安放在两个邻近槽中的励磁绕组26的两线；

-另一个具有和上述第一极性相对的第二极性的磁铁27；

-又两条励磁绕组线，它们安排为使通过它们的电流和在这个绕组的上述线中流过的电流反向；以及

-又一个具有第一极性的永久磁铁27；等等。

励磁绕组26的线由相同的励磁电流共同励磁，并且它们串联或并联连接。这个励磁电流为这样，以便按单向方式在零值和最大值之间变化。这是用未示出的但本身为常规的调节和控制装置来实现的。

这里将注意到，在这种连接中，不要求两个方向的励磁电流，因此为了改变这个电流而设置的电子开关装置仅要求单断电器。这种情况与建立两方向电流所必要的具有四个断电器的H桥不同。

图1说明在绕组26中没有任何励磁电流下定子-转子组件的工作情况。将会看到，永久磁铁27在两个邻近极25的左右，对具有第一极性的那些极产生SN磁化，而对具有第二极性的那些极产生NS磁化。另外，位于安放相同绕组的环路26的转子槽23之间的各转子极25具有一个极性，它和其两个相邻极的极性相同，图1中分别用箭头F1和箭头F2来表示一次磁力线和二次磁力线。

转子因此在其接续的极上采取下列极性模式：

…-S-N-N-N-S-S-S-N-N-N-S-S-S-N-…

情况如此，交替北和南极性的模式采取一个间距，它等于定子极15的间距的三倍，以便传到定子1的磁能具有最小值。这个最小值特别随永久磁铁的能力和转子的几何尺寸变化，它能减小到一个值，这个值足够弱，使得特别适合于机动车交流发电机的最小励磁状态。

图2表示电流流过励磁绕组26的情况。电流的方向为这样，以便由这些绕组的各个所产生的磁通与安排在该绕组两侧的两个永久磁铁一起所产生的磁通相对，并且这两个永久磁铁在没有励磁的情况下，有助于在其两侧为两条励磁绕组线的极的水平面上，建立一个极性，该极性和该极的两个紧邻极的极性相同。

另一方面，励磁绕组的励磁将使上述极的极性反向，并且磁力线依照图2所示流通。转子中的极性模式于是变为N-S-N-S-N-S-…，并且随励磁电流密度增加的大量磁能传到定子。在交流发电机的情况下，电机于是将能够供给增加的电流要求。

当在转子的交替极上可得到的磁通相互之间大致相同时，传送的磁能为最大，并且优选地根据这个准则来确定最大励磁电流。这里将注意到，为了使绕组26产生的漏磁通最小(从FF处虚线的另一端向邻近绕组通过这样的漏磁通)，转子构架22这样设计，以便使这些漏磁的大小最小。因此在图1和图2中将看见，如28所示，在各永久磁铁27外侧的构架的厚度被减小了非常多，以便使这些漏磁最小。在这种情况下，优选地使用一种非磁材料的转子轴，以便避免出现如箭头FF所示的漏磁，破坏极的平衡。

还将注意到，在图2所示励磁状态下，给定各永久磁铁与相联极之间的良好耦合，则铁氧体磁铁可以满足要求，然而当然也可以使用基于稀有土金属的较高输出的磁铁。

现在参考图3，示意表示根据本发明的旋转电机的一个特别实际实施例，在本例中它为三相电机，具有十二个转子极和三十六个定子极。

十二个转子极限定在十二个转子槽23之间，转子槽优选地以大致规则的间隔隔开。这些转子槽中的四个这里称为磁槽，并且在本例中相互之间隔开90°，它们分别安放四个永久磁铁27，其北-南方向交替地按顺时针方向和逆时针方向取向。这四个磁铁由四个励磁绕组26分开，励磁绕组的线占有剩余的转子槽对，各对中两个绕组的连接方向如所示相对，以便当它们受励时产生相对磁极。

在图3中标号N/S和S/N分别表示在没有励磁下的极性和在有励磁下的极性。当然将会理解，这样意味着励磁足够高，以便克服由磁铁建立的在图1中用箭头F2表示的二次磁通。

在图3中还将看到，永久磁铁27安放在沿径向向内延伸，几乎直到转子的非磁中心部分的槽中，该中心部分典型地是转子座。

为了获得要求的极数，给定这个数是上述实施例中六的倍数，则本领域技术人员将当然能够根据以上公开提出必要的修改。

现在参考图4，表示另一种型式，其中使相对交替极性的两个永久磁铁27分开，这里不是用安放一个励磁绕组的两个环路的两个槽来分开，而是用分别安放四条线的四个槽来分开，这四条线分别构成两个励磁绕组26a和26b。这两个绕组按相同方向来缠绕，而给定在各永久磁铁的另一侧，两个绕组将按相对方向缠绕。

在没有励磁的情况下，图4所示布置的工作情况和图1情况类似，也就是说由两个接续的相对的永久磁铁所建立的磁通将在这些磁铁两侧的各个极上分布，所有这些极于是将假定为相同极性。在这种情况下，获得下列模式：

…-S-N-N-N-N-N-S-S-S-S-S-N-N-…，它们的间距因此等于单相电机情况下定子极的间距的五倍。传送到定子的磁能因此最小。

当绕组受励时，所建立的磁通由图4中上升箭头和下降箭头示意表示。极性模式于是由交替极性N-S-N-S-N-…组成，并且对定子传送增加能量。在本例中，转子中的极数将是十的倍数。

现在参考图5，它表示在本发明的第二基本实施例中的转子和定子组件。这个第二基本实施例和以上参考图1至图4所述的第一基本实施例的区别主要在于，这里用标号127表示的各永久磁铁不再占有一个槽和转子2的两个邻近极。而是各磁铁127安装在转子的单极区域的表面上。

因此，多个永久磁铁127绕转子周围以规则的间隔隔开，并且与图1至图4所示实施例对比，它们能以偶数或奇数来设置。

在这种情况下，转子2的结构包括一个构架，它按和磁极25A沿径向成直线对准，限定一个用于永久磁铁127的浅座23A，该永久磁铁建立从转子的外侧指向内侧的实质径向磁力线。磁极25A以保留为空的浅槽23C为界。在它之后接着我们将称为的绕组极25B，然后是用于绕组26的第一线26的槽23B，之后是另一个绕组极25B。在它之后接着用于相同绕组的第二线26的另一个槽23B，之后又接着第三绕组极25B。最后在它之后，到达又一个槽23C，该槽本身之后接着一个新的与座23A相联的磁极25A，座23A安放另一个磁铁127。这种布置在转子2的周围重复任何适宜的次数(在本例中重复一次)。

在没有励磁的情况下，本电机的工作情况示于图5，它和图1电机的工作情况类似，从而位于各永久磁铁127的内面上的北极建立磁力线F3，这些磁力线传播到转子的各个极25B，以便后述这些极也成为北极，而磁极25A为南极。在这种情况下，极布置因此为：

…-S-N-N-N-S-N-N-N。

将会理解在这种情况下，仅有最小量的磁能传到定子。

如图6可见，当绕组26受激时，各自于是产生与从磁铁127向位于一个绕组的两线之间的极25B传播的磁力线F3相对的磁通，而另一方面，绕组建立的磁通将使从各磁铁127指向磁极两侧的各极25B的磁通增强。

在这种情况下，将会理解，定子极将采取布置…-N-S-N-S-N…，这种布置保证随绕组26中励磁电流逐渐增加的能量将会传到定子。

虽然图5和图6说明转子具有八极和定子具有八极的单相电机，但是图7(现在参考该图)表示另一种型式，其中电机是具有十二转子极和三十六定子极的三相电机。

在这种情况下，制造具有十二极的转子包括使用三个相互隔开120°的永久磁铁127，连同三个位于各对磁铁127之间的绕组。在图7中还将注意到，有特别布置的空槽23C，这些槽一般地向离开相联磁极25A的方向取逗号‘，’的形状。

这里还将注意到，为了倍增极数而不增加永久磁铁数，将有可能按如图4所见类似方式，在两个接续的磁铁之间设置两个绕组，各绕组有两个环路。与以上参考图1至图4所述的型式对比，也将理解，如果需要，磁铁数可以是奇数，并且在有些情况下，这样能使设计和大批制造容易。

另外，现在参考图8，它表示在本发明的第二基本实施例的又一种型式中，转子和定子组件的部分，这种型式能够在没有励磁下使传送到定子的磁能减小得甚至更多。在图8中将注意到，紧邻磁极25A的各极25B在它与定子之间有一个径向空气间隙e2，它比第一在磁极25A与定子之间，且第二在另一极25B与定子之间存在的空气间隙e1要大得多。

结果，在非励磁状态下，从各永久磁铁的内面向相对磁极偏移两阶处的极25B，具有相当优选的磁力线流。在转子的极性布置中，这样给出…-N-…-S-…-N-…型的优选布置，其中传到定子的磁通理论上为零。

为了使邻近磁极25A的极25B与定子之间的耦合在励磁状态下适当，空气间隙e2当然足够小。

本发明决不限于所述及附图所示的实施例，而是本领域技术人员将能够对它们应用任何属于本发明精神之内的改变或变更。

Claims (12)

1.一种电机，包括一个定子(1)和一个转子(2)，定子包括至少一个电枢绕组(14)，安放在至少一对定子槽(13)中，转子包括适合于通过一个或多个电枢绕组的环路周围，有选择地建立闭合磁路的装置，其特征在于，所述装置包括至少两个永久励磁磁铁(27)，它们适合于建立两个磁通，这两个磁通在根据转子位移的方向，具有相对方向的分量，以及至少一个励磁绕组，它在一起构成一对磁铁的各所述磁铁和下一个接续的磁铁之间，具有两线(26，26)，并且适合于产生两个可调分量的磁通，该磁通适合于和所述对磁铁所产生的磁通相对，所述绕组的线安放在转子槽(23)中，各转子槽位于转子的两个接续的极(25)之间。

2.一种电机，包括一个定子(1)和一个转子(2)，定子包括至少一个电枢绕组(14)，安放在至少一对定子槽(13)中，该对定子槽在它们之间限定多个定子极，转子具有多个和定子极有关的转子极，以及适合于经过定子极和转子极(15，25)，在通过一个或多个电枢绕组的线(14)周围，有选择地建立闭合磁路的装置，其特征在于，所述装置包括永久励磁磁铁(27)和励磁绕组(26；26a，26b)，永久磁铁和励磁绕组这样来安排，以便当无电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置由交替系列的相同北极和南极组来组成，北极和南极组中极数相同，为大于一的奇数，以及，当电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置由单个交替的北极和南极组成。

3.一种电机，包括一个定子(1)和一个转子(2)，定子包括至少一个电枢绕组(14)，安放在至少一对定子槽(13)中，该对定子槽在它们之间限定多个定子极，转子具有多个和定子极有关的转子极，以及适合于经过定子极和转子极(15，25)，在通过一个或多个电枢绕组的线(14)周围，有选择地建立闭合磁路的装置，其特征在于，所述装置包括永久励磁磁铁(27)和励磁绕组(26；26a，26b)，永久磁铁和励磁绕组这样来安排，以便当无电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置交替地由一个给定单个极和一系列比一大的奇数个相反极来组成，以及，当电流通过励磁绕组时，转子极具有一种布置，这种布置由单个交替的北极和南极组成。

4.根据权利要求1的电机，其特征在于，各所述磁铁(27)安放在一个按一般径向取向的磁槽(23)中，所述磁铁适合于建立一般的圆周磁通，所述转子槽(23)构成一组槽，以便各转子极(25)由所述转子槽对来定界，并且定界在所述转子槽对之间，转子槽依次包围一个所述磁铁(27)，至少一个励磁绕组(26)，等等。

5.根据权利要求4的电机，其特征在于，在转子中安排装置(28)，以限制各磁铁(27)与转子轴之间的相反磁通的环流量。

6.根据权利要求1的电机，其特征在于，各磁铁(27)安放在一个和转子的一个磁极沿径向成直线对准的座(23)中，并且安排为产生一般的径向磁通，以及转子沿圆周依次包括空的第一槽(23C)，然后是奇数个绕组(23B)，等等，第一槽对在一个磁极(25)两侧，而邻近绕组极成对地定界各个绕组槽(23B)，绕组槽包含所述至少一个励磁绕组。

7.根据权利要求6的电机，其特征在于，在一方面转子与另一方面定子的接续的极之间，空气间隙交替地是第一尺寸(e1)和与所述第一尺寸不同的第二尺寸(e2)，磁极具有较小的空气间隙(e1)。

8.根据上述权利要求中任何一项的电机，其特征在于，在两个接续的磁铁(27)之间安排具有两线(26)的单励磁绕组。

9.根据权利要求2或3的电机，其特征在于，转子(2)具有总数等于六的倍数的若干极(25)。

10.根据权利要求8的电机，其特征在于，转子(2)具有总数等于四的倍数的若干极(25)。

11.根据权利要求1或权利要求4至7中任何一项的电机，其特征在于，在两个接续的磁铁(27)之间安排至少两个绕组，各所述绕组具有按相同方向缠绕的两线(26a；26b)。

12.根据权利要求1至7中任何一项的电机，其特征在于，它是机动车交流发电机。

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