CN1146655A - 采用SiC开关晶体管的车辆用交流发电机 - Google Patents

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Abstract

在交流发电机中，定子铁芯(21)面对转子(1)的外圆周，并具有多个凸出的极齿(211)，极齿在圆周的方向上以预定的间隔设置。定子线圈绕在各极齿(211)上，使其外圆柱面与定子铁芯(21)的内圆柱面接触。由SiC材料制成的MOS晶体管电路装在框架上(定子铁芯(21)的热量也传给该框架)，仅当在定子线圈(22)处产生的交流电压超过电池电压时，用定子线圈(22)的电流向电池充电。

Description

采用SiC开关晶体管的车辆用交流发电机
本发明涉及预计通过改进冷却性能来产生高功率并做得紧凑的车辆用交流发电机。不仅可以把这种交流发电机用于一般的由引擎驱动的交流发电机，而且可以用于在车辆刹车时用来发电的交流发电机，或者进行再生发电的车辆驱动电动机。
在近来要求降低车辆油耗的背景下，人们一直力图改进交流发电机的发电效率。作为改进发电效率的手段之一，人们试图通过促进定子线圈的热辐射来制造输出更高的交流发电机。
图10显示绕组绕满截面的所谓定子线圈的一个先有技术的例子。定子铁芯21呈环形(该图只显示上半部分)，做成具有多个极齿211，后者从铁芯内圆柱形表面伸出，在内圆柱形表面的圆周方向上彼此相隔相同的间距。三相定子线圈22A，22B，22C交替地缠绕在极齿211之间的线槽212(图11)内。线圈两端重叠，在轴线方向上，从定子铁芯向两侧伸出长度L′。
但是，采用这样的结构，只有最顶层(例如，图10的22B)及中间层(例如，图10的22A)的外圆柱面积的一半与定子铁芯21的内圆柱表面接触，所以定子铁芯的外圆柱表面的接触面积，只有定子线圈整个外圆柱表面的50％，故无法保证适当的热辐射。
在申请号为平6-141497的日本未审查的专利公布中已经提出一种相应绕组缠绕在短经条(short section)上的定子线圈，其中，定子线圈的整个外圆柱形表面与定子铁芯的内圆柱表面接触，以促进定子线圈的热辐射。
虽然在该公告中的结构中，整个定子线圈的外圆柱表面都与定子铁芯接触，肯定促进线圈的热辐射，但是，大量的热传给了交流发电机的与定子铁芯一起形成的框架。整流器(整流用开关装置)一般都附在交流发电机上，所以要求促进其热辐射，故整流器的散热片往往要做得比较大。这将导致布置在框架上的冷却空气进气孔的面积减小，从而一般地说使足够大的开口面积难以保证，使就整个交流发电机而言，冷却能力受到较大损害，交流发电机的尺寸增大了。
本发明要解决这样的问题，一个目的是提供一种车辆用交流发电机，通过促进定子铁芯的热辐射，实现改进整个冷却效率，使其尺寸比较紧凑。
按照本发明，交流发电机具有一个带磁场线圈的转子、一个带定子线圈的定子和一个整流开关电路，后者在框架上形成，并与其发生热接触，由SiC材料制成的MOS晶体管构成，用来把定子线圈发出的交流电压转变成直流电压，向电池充电。
定子线圈产生的热量有效地辐射给与定子线圈相接触的定子铁芯，尽管热量传给在框架上形成的开关电路，但即使接受了定子铁芯的热量，整体的温度增加不多，因为，由SiC材料制成的MOS晶体管的导通电阻，比用硅材料制成的MOS晶体管或二极管小得多。相应地，开关电路上形成的诸如散热片等形式，可以做得比较小，因而，整个交流发电机的尺寸可以做得紧凑。
在框架上的开关电路可以做得比较小，与此相关的是，在框架上形成的冷却空气进气孔的有效开口面积可以得到保证，因而交流发电机的冷却效率得到改善。
定子线圈最好分成三相，MOS晶体管接成三对的形式，其中每个晶体管串联。所述三对MOS晶体管并联在电池的两个端子上。每相的定子线圈连接到构成一对的MOS晶体管的连接点上。
这样，通过改善冷却能力做到高的功率输出，并使交流发电机的尺寸做得紧凑。
三相定子线圈最好具有2π/3电角度的缠绕节距。
2π/3的缠绕节距消除了线圈端部的重叠。每相的定子线圈可以单独缠绕在各自的极齿上，从而缩短线圈的长度，进而减小线圈的电阻，抑制热量的发生。
结合附图阅读以下叙述，本发明的其他特点与优点会变得更加清楚。附图中：
图1是本发明一个实施例的交流发电机的侧视图，其中一半为剖面图；
图2是本发明该实施例的定子的放大部分正视图；
图3是本发明该实施例的定子的内圆柱形表面的放大部分视图，也是图2中沿着箭头III方向看去的视图；
图4是本发明该实施例交流发电机的电路图；
图5是本发明该实施例MOS晶体管截面图；
图6是曲线图，说明本发明该实施例MOS晶体管的Vds-Id曲线；
图7是曲线图，说明本发明该实施例SiC-MOS晶体管的击穿电压与导通电阻率之间的关系；
图8是曲线图，说明本发明进风量的变化；
图9是本发明另一个实施例的定子的放大部分正视图；
图10是先有技术的定子的半正视图；
图11是先有技术的定子的内圆柱形表面的放大部分视图，也是图10中沿着箭头XI方向看去的视图；
下面参照附图所示实施例对本发明进行详细叙述。
(第一实施例)
图1显示交流发电机整体的垂直截面图。交流发电机的框架4由半容器型的驱动框架41和后框架42结合而成。轴53设置在框架4的中心，并由轴承51及52支承，通过装于前端(图中左端)的皮带轮由引擎动力使之旋转。
Lundell型转子铁芯固定在轴53上；转子铁芯由前铁芯12和后铁芯13结合而成。转子线圈14绕在Lundell型转子铁芯上。Lundell型爪形磁极组件11呈曲线状，并交替地分别从前铁芯12和后铁芯13突出出来，覆盖着转子线圈14的外圆周侧(图中上侧)。按照转子线圈14的激励情况，不同极性的磁场交替地在这些爪形磁极组件11上出现。
安装有定子铁芯21的定子2安装得靠近转子1的外园柱面。定子铁芯21呈环形(图2中只显示其中的一部分)；多个极齿211从定子铁芯的内园柱面突出，在内园柱面的圆周方向上彼此按固定的间距排列。三相定子绕组22A，22B，22C交替地穿过极齿211之间的槽212(图3)绕在极齿211上。
每个定子线圈22A，22B，22C的夹角是2π/3电角度/每两个磁极节距，绕在各自的极齿上呈矩形，较长的直边伸入槽212，在半径方向上相邻线圈彼此不重叠。各定子线圈22A至22C的整个外园柱面与定子铁芯的内园柱面21相接触。线圈22A至22C的槽内占用率是52％，故与定子的接触面积，与先有技术相比增大了25％。
应该指出，线圈两端从定子21伸出，在轴向的两侧长度L比通常的L′短(图11)。
图2的箭头表示从转子1各磁极铁芯11出来的磁力线；当转子1旋转时，各磁极铁芯11形成的磁通切割各相的定子线圈22A至22C，从而在这些线圈上产生出交流电压。当定子线圈22A至22C开始产生电功率时，产生的电流通过后述的全波整流器送到电池上。供应这个电流时，定子线圈22A至22C便产生热量。
在这种情况下，既然各定子线圈22A至22C整个外园柱面都与定子铁芯21的内园柱面接触，定子线圈22A至22C的热量便有效地耗散到定子铁芯21中去，从而防止线圈的温度上升。
在图1中，产生风的风扇15，16在定子1的前端和后端的外圆周上形成，当转子旋转时，引导外面的空气(图中箭头)穿过驱动框架41的前面与后框架的后面内配置的多个进气孔411，421。吸入的外面的空气冷却了转子线圈14、定子线圈22、包括后述的整流用开关装置的电压调节器等之后，分别通过配置在各框架41，42的外圆周上的多个排气孔412，422排出。
滑环55在轴53的后端外圆柱面上形成，从后框架42凸出，向转子线圈14供应电力，并与电刷56接触。罩盖57这样形成，盖住轴53的后端，在罩盖57内还装有包括以后要详细叙述的整流用开关装置的电压调节器。
图4表示电池33充电用的交流发电机的电路图。在电压调节器3的电压调节部分32读出电池33的电压，通过使流向转子线圈14的电流接通和断开而使电压保持恒定。
三相定子线圈22A，22B，22C的输出端电压Vv，Vu，Vw接成三角形，并送至三对构成整流开关装置的MOS晶体管31A至31F的各个连接点，同时还送到电压调节部分32。
就是说，在各个晶体管中，高侧晶体管31A，31C，31E的漏极D与低侧晶体管31B，31D，31F的源极S彼此相连；高侧晶体管31A，31C，31E的源极S连接至电池33的高电压端；而低侧晶体管31B，31D，31F的漏极D连接至电池33的低电压端。各晶体管31A至31F在由电压调节部分32送到栅极G的栅极电压控制下导通和截止。
各晶体管31A至31F的结构相同，下面参见图5对此作一叙述。
图中，N型防击穿层312用SiC材料以外延生长法在N+型衬底311上形成。P型陷井区313用铝离子注入法在N型防击穿层312的表面上形成。
用氮离子注入法在P型陷井区的上面形成N+型区；用抗蚀膜或绝缘膜掩蔽晶片表面，仅在要开槽的地方开口，用有名的快速离子蚀刻(RIE)干蚀刻法形成凹槽315。
然后，用热氧化法在凹槽315的表面形成氧化硅膜，从而形成栅极绝缘膜316，接着，在凹槽315上形成掺杂多晶硅制的电极317，以形成栅极G。然后，让金属电极318接触N+型区314和P型陷井区313，以形成漏极D，并让金属电极接触N+型衬底311以形成源极S。
源极耦合侧(图4)的寄生二极管Ds及漏极耦合侧的寄生二极管Dd是在P型陷井区313(亦即，紧接在栅极317下面的区域)与源极之间，以及在P型陷井区313与漏极D之间分别形成的，但寄生二极管Dd是短路的，而寄生二极管Ds则阻止电池33来的反向电流。
然后，叙述图4电压调节部分32对各MOS晶体管31A至31F的开关控制。
电压调节部分32读出三相定子线圈22A至22C的输出端电压Vv，Vv，Vw，并在线间产生电压Vu-Vv，Vv-Vw，Vw-Vu之中选择一个取正值的而且高于电池33端电压的线间产生电压。
把选出的线间产生电压Vu-VV，Vv-Vw，Vw-Vu供给电池33，高侧晶体管31A，31C，31E之一，低侧晶体管31B，31D，31F之一，激活导通，充电电流便从选出的三相定子线圈22A至22C供给电池33。
如前所述，在这个实施例中，用单晶SiC，硅和碳的一种化合物，作为MOS晶体管的材料，使得N型防击穿层312的厚度及杂质浓度，可以比普通的Si(硅)大为改进。
就是说，在硅的情况下，击穿电场强度约为30伏/微米。为简单起见，假定N型防击穿层312承受300伏的击穿电压，N型防击穿层312具有20微米的厚度，杂质浓度为1×1015原子/立方厘米，电阻率约为5欧姆—厘米。
与此对照，SiC的击穿电压约为400伏，N型防击穿层312具有约4微米的厚度，杂质浓度为2×1016原子/立方厘米，电阻率约为1.25欧姆—厘米。
相应地，使用SiC材料的MOS晶体管(SiC-MOS)N型防击穿层312的电阻可以减少到使用Si材料的MOS晶体管(Si-MOS)N型防击穿层的电阻的20分之一(1/20)。
结果，SiC-MOS的源寄生电阻Rs(图5)降低到Si的20分之一(1/20)，与此相应，通道电阻大大降低。
图6显示SiC-MOS的Id-Vds特性，可以看出，与图中虚线所示的二极管的正向特性相比，输出电流Id即使高到75安，压降Vds仍旧很小，导通电阻也小。
图7显示当MOS晶体管要求的击穿电压改变时，计算出来的导通电阻率的实例。应该指出，导通电阻率是通道电阻以及N型防击穿层312(图5)电阻Rs的总和。虽然通道电阻会随着不同的因素而变化，但如图所示，N型防击穿层312的电阻控制在高的击穿电压范围，所以尽管击穿电压增大，通道电阻本身却不大可能变化。
相应地，在Si-MOS的情况下，导通电阻率从约25伏的击穿电压起，随着击穿电压增大而成正比地增大；在SiC-MOS的情况下，当击穿电压高达250伏时，N型防击穿层312电阻的增大几乎可以忽略不计，然后，当击穿电压超过250伏之后，导通电阻又逐渐随电压而增加。
这样，对截断期间所加的高压保证有足够的击穿电压的同时，即使在大电流下(约75安)也能足够地减少(约1/20)SiC-MOS的导通电阻，所以，电流流过而产生的热量也可以大大减小。
相应地，如上所述，即是定子线圈22A至22C产生的热量传给定子铁芯21，并进一步传给框架4上的电压调节器，总的来说，与普通整流器相比温升也不大，因为在电压调节器上形成的用SiC-MOS制成的整流器31A至31F产生的热量降低约为1/20，与Si-MOS相比是非常小的。
这就导致整流器的冷却叶片可以做得更小，而至今仍旧是单独装配的激励电流控制器可以合为一体，因而，允许电压调节器可以做得紧凑。如果电气部件紧凑，那么，进气孔421的有效开口面积在后框架(图1)内加大，从而允许大量冷却空气供应定子线圈22等，进而在整个交流发电机的意义上改进冷却能力。
尤其是在本实施例中，以2π/3节距布置绕组，避免线圈两端重叠，因为线圈很容易装进去，定子线圈22A至22C线圈两端伸出的长度L(图1)与先有技术相比可以缩短，因而足够地保证排气孔412，422的开口面积，并通过让大量的冷却空气从进气孔411，412有效地流到排气孔412，422，促进定子线圈22A至22C的热辐射。
在这里，图8用来比较普通交流发电机的(图中虚线)和本实施例的(图中实线)进风量。采用本实施例，进风量可提高90％至100％或更多。就是说，由于电气部件尺寸紧凑，故进气孔面积显著扩大，以及线圈端部长度缩短，故排气孔面积加大的协同作用，整个交流发电机的冷却能力显著改善。
(第二实施例)
定子线圈可如图9构成。图中，定子线圈由各外层线圈22A-O，22B-O，22C-O与定子铁芯21的内园面接触，各内层线圈22A-I，22B-I，22C-I与外层线圈的内圆周接触。各内、外层线圈22A-I至22C-O，其每两个磁极节距P的电角度均为2π/3，绕在各自的极齿211上，相邻线圈避免彼此重叠。上层定子线圈与下层定子线圈的安排是，在圆周方向上彼此错开一个极齿的一部分(π/3)。
采用这样的结构，外层定子线圈22A-O至22C-O整个外圆周都与定子铁芯21接触，故外层线圈的热量有效地耗散到定子铁芯上去，内层定子线圈22A-I至22C-I整个外圆周都与外层定子线圈22A-O至22C-O相接触，故内层定子线圈的热量亦能有效地耗散到外层定子线圈上去。
在这个实施例中，定子线圈22A-I至22C-I，22A-O至22C-O产生的电抗性磁动势所含高次谐波分量彼此抵消，故发电时产生的磁声减小。
已经叙述的本发明不应限于上述实施例，在不离开本发明的精神及范围的情况下可以作许多种改变。

Claims (4)

1.车辆用交流发电机，其特征在于包括：
面对转子(1)外圆周的定子铁芯(21)，后者在其内园柱表面的圆周方向上按预定的间距布置多个凸出的极齿(211)，
各多相定子线圈(22)以这样的方式绕在极齿上，即线圈的外圆柱表面的至少一部分分别与定子铁芯的内园柱表面接触，
至少用其一部分装配该定子铁芯的、由良导热金属制成的、具有排出被该定子线圈加热的冷却空气用的排气孔的框架(4)，以及
装在该框架上并与该框架进行热接触的，用来把定子线圈发出的交流电压转变成直流电压以便向电池充电的整流用开关装置(31)，后者包括由每个均由电阻率比硅低的碳与硅的化合物以单晶SiC形式制成的MOS晶体管(22A至22F)。
2.车辆用交流发电机，其特征在于包括：
面对转子(1)外圆周的定子铁芯(21)，后者在其内园柱表面的圆周方向上按预定的间距布置多个凸出的极齿(211)，
各多相外层定子线圈(22；22A-O至22C-O)沿定子铁芯的内柱园表面，绕在彼此相邻的极齿之间，其外圆柱面与定子铁芯的内园柱表面相接触，
各多相内层定子线圈(22；22A-I至22C-I)绕在彼此相邻的极齿之间，在圆周方向的位置上，与外层定子线圈错开一个极齿，并处于外层定子线圈之内的位置，内层定子线圈至少一部分外园柱表面与外层定子线圈的内园柱表面相接触，
装在传递来自该定子铁芯的热量的框架上的、用来把该外层及内层定子线圈发出的交流电压转变成直流电压以便向电池充电的整流用开关装置(31)，后者包括每个均由电阻率比硅低的碳与硅的化合物以单晶SiC形式制成的MOS晶体管(31A至31F)。
3.权利要求1或2提出的交流发电机，其特征在于：
定子线圈分成三相，
MOS晶体管是三对晶体管的形式，其中各个晶体管在电池两端子之间接成串、并联，
每相的定子线圈接在组成一对的MOS晶体管之间的连接点上。
4.权利要求3提出的交流发电机，其特征在于：
三相定子线圈具有2π/3电角度的缠绕节距。
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