CN1150713A

CN1150713A - 交流发电机

Info

Publication number: CN1150713A
Application number: CN96111287A
Authority: CN
Inventors: 向井拓三; 三谷涓三
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1997-05-28
Also published as: EP0762614A2; KR970018918A; EP0762614A3

Abstract

从风扇组件内(7)伸出的柱状凸起(46)和固定在机壳(2)上的电刷架(51)上的柱状凸起(61)之间，形成了一个复式密封(64)，将圆柱形空间S密封起来，该空间容纳着含碳的滑环(41)和半圆环金属电刷。多个风扇叶片和滑环架被用绝缘树脂材料浇注在一起，利用绝缘树脂材料，将电刷架(59)、轴承座(60)和电压调节器的封壳(62)联接成了一个整体。

Description

交流发电机

本发明涉及一种交流发电机，该发电机上有一个转子线圈、一个与转子线圈相连的换向器和一个电刷，电刷在换向器外圆周上滑动。

图6所示为一台普通的车用交流发电机100，该发电机上有定子104、转子106和电刷架111，定子104被固定在前端盖101的内部，包括定子铁芯102和绕在定子铁芯上的定子线圈，转子106包括转子铁芯106和绕在其上的转子线圈，并由轴105带动一起旋转，电刷架111则被固定在后机壳109和后封套110之间。

轴105的端部安有金属换向器(以后称之为滑环)，滑环通过汇流排112与转子线圈115相连。冷却风扇114与115分别被安在转子铁芯的两端。电刷架111包括外接端子(未画出)和一对碳刷(以后称之为电刷)119，这对电刷是用嵌入铸模的方法加工而成的。

电刷的一部分(以后称之为分界面)116与滑环113接触，并与电刷架111一起，被后端盖尾部的圆柱形部件117封闭起来，防止水和灰尘的进入，电刷架111和部件117之间，用橡胶密封垫118进行密封。图中指示数字121代表电压调节器，指示数字122代表电刷架组件，该组件由定子一侧的电刷和密封垫118组成。

但是，在普通的车用交流发电机100上，带有电刷架116的电刷架组件111，被用螺钉(未画出)固定在与其不相连的后端盖109上。这就是说，簧片113被电刷架111和后端盖109上的支架119所包围，电刷架组件的两端又被后端盖109和后封套110所包围。这就意味着，电刷架111附近的三个缝隙都要求有密封。

由于密封垫118被用于密封电刷架和圆柱形部件117，这使得轴向的安装工作变得困难，有时还会造成密封不彻底。此外，由于铝制的圆柱形部件117与支架119固定得很死，在其铸件的表面会形成毛刺，这样也会破坏密封垫118的密封效果。

此外，传统的碳刷由于考虑到使用过程中的磨损，往往要增加额外的大小和长度。而且，为减少励磁电路的压降，电压调节器通常被安装在电刷组件122的附近。因此，传统的车用交流发电机的体积往往很难减少。

本发明的主要目的，是提供一种经过改进的、结构紧凑的交流发电机。

本发明的另外一个目的，是提供一种电刷密封空间比较小的交流发电机。

出于上述目的，包括一个滑环的连接组件，一个绝缘部件和一个电刷，沿径向被安装在机壳和转子之间的离心式风扇的叶片内，其中，滑环和电刷被安装在围绕着轴的圆柱形部件内。

因此，外界物体如水和灰尘不能进入电刷或换向器环，并且在没有破坏密封性的情况下移去了密封垫。

本发明的另一目的，是提供结构紧凑的、耐磨损的电刷和电刷架。

出于上述目的，该电刷包括一个半环形的支臂，该支臂由弹性金属薄片制成，套在所述滑环的外圆周上。

由于金属电刷磨损不严重，所以不必象传统电刷那样需要额外的尺寸和长度。这样，电刷可以做得很薄，电刷组件就能做得很轻很紧凑。因此，整个发电机可以做得小而轻。

弹性金属薄片为电刷提供了足够的接触压力和稳定的电流。

本发明更进一步的目的，是提供一种交流发电机，其电压调节器的封壳、电刷架及容纳电刷和滑环的圆柱形部件，成为一个整体。

通过研究下面有关本发明的详细描述，以及后面所附的权利要求和简图，本发明的其它目的、性能、特点及相关部件的功能将得到进一步的阐明。附图包括：

图1是一个放大的平面视图，表示根据本发明的第一实施方案的车用交流发电机的主要部分；

图2是根据本发明的第一实施方案的车用交流发电机的整体的剖视图；

图3是根据本发明的第一实施方案的车用交流发电机的主要部分的平面视图；

图4是根据本发明的第一实施方案的换向器环和电刷组件的透视图；

图5是根据本发明的第二实施方案的车用交流发电机的整体剖视图；

图6是一个普通的车用交流发电机的剖视图。

图1至图4，为本发明第一实施方案中的车用交流发电机的示意图。

车用交流发电机1是由发动机通过三角带来驱动的。发电机产生的交流电，经过图2中所示的三相整流器9整流后成为直流电，给蓄电池充电并向有关负载供电。车用交流发电机1包括：机壳2，定子3，转子4，换向器组件6，电刷组件8，三相整流器9和电压调节器10。

机壳2包括前端盖(驱动端盖)11和后端盖(后机身)12，前后端盖均由铝经压铸而成，并由若干双头螺栓13和配套的螺母14安装在一起。

前端盖11上有前轴承15，后端盖上有后轴承17，两者均采用压入配合的方法被安装在各自的轮毂16和18上，并分别滚动地支撑轴5的两端。在前端盖上沿环向开了若干进气孔19，目的是引入冷却空气，同样，在后端盖12上也沿环向开了若干进气口20和出气口21。

在前端盖11的上部和下部，分别有一个拉杆22和23，拉杆22与前端盖被做成一体，拉杆23和后端盖做成一体，上下两个拉杆22、23分别被固定在发动机的上支架和下支架(均未画出)上。同样，在后端盖的下部也有一个类似的拉杆24，被固定在发动机的下支架上。拉杆22-24上均开有通孔25-27，用于螺栓固定。

定子3包括固定于机壳2内壁上的定子铁芯31和环绕在定子铁芯31上面的三相定子线圈。定子铁芯31包括由磁性材料的薄片叠压而成的电枢铁芯，被压力装配在前端盖11的内壁上。定子铁芯的内圆均匀分布着许多切口槽(未画出)。三相定子线圈32为三相电枢绕组，按照Y接法和Δ接法连接，当转子4转动时，能在定子线圈中产生三相电流。定子线圈的尾圈端部被焊连在三相整流器9的三相整流电路上。

转子4提供磁场并随轴5一起转动，转子4包括轴5、磁极铁芯33、绕在磁极铁芯上的励磁线圈34和换向器6，其中换向器6用于向励磁线圈提供励磁电流。励磁线圈34由铁磁性材料制成，通过线圈架37绕在磁极铁芯(转子铁芯)33上。磁极铁芯33上有爪形磁极35和36，当励磁电流流入励磁线圈34时，磁极35成为N极，磁极36成为S极。在爪形磁极36的后面，用焊接或类似的方法安装了一个风扇组件7，用来向机壳2提供冷却空气。励磁线圈34与汇流排(未画出)用焊接或类似方法连在一起，轴5由机壳2的轮毂16、18通过前后轴承15、17提供滚动支撑。

在轴5末端，在带垫圈的螺钉39和前轴承15之间，安装了一个带有V型的筋板的皮带轮，该皮带轮通过三角带或类似的东西与发动机输出轴(曲轴)上的皮带轮相连，并被其驱动。在轴5和皮带轮38之间，还可以安装一个电磁离合器。

换向器组件6由两块含碳的换向环(以后称为滑环)41，两个汇流排(或滑环端子)42和绝缘部件构成。滑环41通过电刷组件8与蓄电池、电压调节器9和励磁线圈34相连，汇流排分别接在对应的滑环上，绝缘部分是在用绝缘树脂将滑环41和汇流排42浇注在一起时形成的。两个滑环41包括安装在轴5的一端(后部)外圆上的环套和与连接换向器环和汇流排相连的连接导线。滑环41由含碳(碳)材料构成，如带孔的铜合金环(基底金属)，其中含有碳粉、天然石墨、导电石墨或金属石墨等材料。汇流排42如图1所示，被焊连在励磁线圈的端线上。

风扇组件7是用绝缘树脂与滑环41和汇流排42浇注在一起形成的，可起到保护连在滑环和汇流排之间的导线的作用。风扇组件7包括若干离心叶片43、支承叶片的环形底座44和环架45，环架是通过嵌入铸模的方法，与滑环浇铸在一起的。风扇底座44固定在磁极铁芯33的后壁上，其凸出部分46延伸到电刷组件8的表面。环架45与滑环41和汇流排被作为一个整体，采用压入配合方法安装在轴5的另一侧。绝缘体采用树脂材料，具有很好的绝缘、绝热效果和很高的强度及良好的形态稳定性。

电刷组件8包括两个分别在两个滑环41的外表面滑动的金属电刷，电刷架52支撑并固定电刷51与被插入电刷架52的铸模部分的连接端子53和54。

电刷51由冲压过的弹性金属片如磷青铜或铍青铜制成，以通过两个滑环41向励磁线圈34供应励磁电流。

每个电刷51都有相应的电刷臂55和夹片56，电刷臂55套在对应的滑环上，夹片56沿轴向从电刷臂55延伸至电刷架52。电刷臂55的两端分别是接触部件57和58，分别与滑环的外圆周相接触。电刷臂55如图4所示，为半环形(马蹄形)，因此，由于接触部件57和58之间的距离A与滑环41的直径B不同而产生收缩，它能紧紧地贴在相应的滑环上。

由于电刷51的电刷臂55为半环形，电刷51对滑环的外表面的接触压力的合力为零，这样，与接线端子53和54机械相连的夹片56不会受到压力。

接触部件57和58依靠自身的弹性提供接触压力。57a、57b和58a、 58b分别是接触部件57，58沿轴向的两端的突出部分，从接触部件沿轴向向相反方向延伸并沿轴向向外弯曲，在部件57、58上形成一个向外的倒角，这样，接触部件57、58就可以沿轴向平稳地滑动，同时也使电刷可在滑环41的外表面上很容易地装卸。

夹片56采用和金属刷43相同的材料，由具有弹性的铜合金制成。利用夹片具有弹性的特点，将夹片机械地与接线端于53、54电连接。为此，夹片56做成最小的体积以满足设计的性能和制造需要。

夹片56如图4所示，包括凸出部分56a和夹紧部件56b和56c，其中凸出部分56a从电刷臂55的基部(上部)沿轴向延伸，夹紧部件56b和56c被弯成椭圆柱形，具有相当的弹性。分别夹住在凸出部分56a和夹紧部件56b和56c之间的接线端子53和54的两边。

电刷架组件52由绝缘树脂材料(如聚苯撑硫)制成，包括电刷架59、轴承座60、柱状凸起(或滑环盖)61和后文描述的电压调节器的封壳62，柱状凸起61从电刷架59的前部沿轴向延伸。

电刷架59与接线端子53和54被铸成一体，接线端子53和54分别向相反的方向延伸。轴承座60和后轴承17被压力配合安装在后端盖12上的轮毂18的内壁之间，这样，电刷架组件就可以安装在轴的合适的位置上。

在风扇组件7和后轴承17之间，柱状凸起61和风扇组件7形成了一个圆柱形空间S，以包容两个滑环41、两个电刷51及它们的分界面。在柱状凸起61与支架44相对的表面上，开有一个槽63以容纳支架44的凸出部分。

电刷架组件52的槽63在支架和延伸部分61之间形成了复式密封。即，在电扇组件7和后轴承17之间形成了复式密封空间S。柱状凸起61在风扇叶片的中心部分形成了一个光滑的进气空间，保证了定子线圈、励磁线圈和整流器得到有效的冷却。

当冷却空气被吸入机壳2时，其中可能混杂有水和灰尘等异物，特别地，如果异物经由进气孔20被吸入后端盖12时，可能会到达滑环41与定子一侧机壳的分界面上。然而，由于圆柱空间S为复式密封64，滑环41和电刷51之间由于磨擦产生的细屑，不能够进入机壳2。

接线端子53的剖面为L形，与电压调节器10的励磁电流输出端子(未画出)连成一体。接线端子54的剖面为倒L形，以便沿与端子53的方向相反的方向延伸。它被螺钉72固定在整流器9的直流输出端子71(如图3所示)上以保持电连接。接线端子53和54的边缘均做成楔形，可以方便地被插入夹片56的夹紧部位56b、56c和突出部分56a之间。端子53和54由金属如铝合金或铜合金制成，所用材料可以与电刷51和夹片56的材料不同，这样有利于降低生产成本。如果把接线端子53、54与电刷架52铸成一体，使端子53、54与夹片56机械地连在一起，就可以避免因温度升高而导致电刷51的耐磨性能的降低，这种温度升高在端子53、54以嵌入铸模连接时产生。

三相整流器9包括直流输出端子71、正侧散热片73、负侧散热片74、三个正侧二极管75、三个负侧二极管76和端子座77。

直流输出端子71的一端通过电线(未画出)与蓄电池的正极接线柱相连，另一端通过固定螺钉(未画出)与电刷组件8的接线端子54和正侧散热片相连以实现电连接。

正侧散热片73和负侧散热片形成一个组件，沿着电刷架52环向分布，被安装在后端盖12的侧壁上。正侧散热片73通过绝缘件(未画出)被固定在后端盖的内侧壁上，负侧散热片74则通过后端盖12接地。

端子座77由绝缘树脂材料(如PPS)制成，有三个交流输入端子78与端子座浇注在一起，并使正侧散热片与负侧散热片相互绝缘，端子座77通过螺钉79固定正侧散热片73和负侧散热片74。

电压调节器10包括多个外接端子(未画出)，如励磁电流输出端子，集成电路(未画出)和封壳62。励磁电流输出端子和上文所述的铜合金等金属部件被做成一体后，一同被固定封壳62内，并与电刷51机械相连。

封壳62采用绝缘树脂(如PPS)制成，封壳与电刷架组件52连在一起，其支架64被固定在后端盖12上，封壳62用来安置一些电子部件，其中包括集成电路。

车用交流发电机1的发电操作是众所周知的，因此，详细的描述被省略了，这里只介绍与本发明有关的一些部分。

交流发电机1工作较长一段时间后，被机械地固定在由电刷架52支撑的连接端子53和54上的两个电刷和两个滑环由于相对移动和相互接触，会产生磨损。

由于滑环由含碳的材料制成，具有自身润滑的性能，因此，滑环的摩擦系数很小，磨损率很低。另外，金属电刷51能减小弹性压力，从而大幅度地降低了电刷的磨损率。

如上文所述，当定子内部的转子4旋转时，滑环41会产生磨损细屑。然而，由于容纳两个电刷51和两个滑环的分界面的空间S被复式密封64密封，这些细屑被封闭在空腔S中，这样，机壳2内的电气部分(如三相整流器9的部件、电压调节器10的电子部分、三相定子线圈32和励磁线圈34)的绝缘性能和接地效果不会受到损坏。

另一方面，进入机壳2的异物，如水和灰尘，也不能进入圆柱形空间S。

除改善了密封效果外，将轴承座60和电刷架59做成一体后，两者之间的相互位置不会再发生变化。将电刷架59与封壳62做成一个整体后，它们由树脂材料制得，可以减少模具的数量。用树脂材料将风扇组件7的叶片、支架44和环架45浇注成一体，也可以减少模具的数量。在将风扇组件7和环架45用压入配合法安装在磁极铁芯33的后壁和轴5的后端的外表面的同时，可将滑环41和汇流排42安装在轴5上。相应地，将它们安装到转子4上所需的时间能够被缩短。

根据机械设计手册，通常可将抗振性能表示为如下形式：

[方程1]

抗振系数∝{(k×弹力载荷)/(电刷重量)}+{弹簧重量}

因此，如果减小电刷(电刷体)的重量，就可减少电刷的弹力载荷。

电刷51具有弹簧和接线两个功能，可大大减小电刷51尤其是电刷臂55的重量。

与传统的碳刷116相比，由于电刷51上的弹力载荷显著减小，电刷51的磨损率和因电刷振动引起的问题明显减小，结果提高了电刷及发电机1的使用寿命。

如果在一个方向上，即滑环41的径向上滑环的振动过大，使电刷51的电刷臂55与滑环41相分离，接触部件57、58中总有一个部件能与滑环相接触，这就保证了电刷51和滑环41的电连通，因而可以向励磁线圈34提供稳定的励磁电流。

接线端子53和54及夹片56可通过焊接、敛缝等方法连在一起，然而，由于电刷由弹性铜合金制成，最好采用图4中所示的插入的方法，这样在加工和使用过程中只需占用很小的空间。

传统电刷116由易磨损的材料制成，而金属电刷51则比较耐磨损，所以不需要象传统电刷那样要求有额外的尺寸和长度。结果，电刷本身可以做得很薄，电刷架52也可以做得很轻很紧凑。因此，电刷组件可以沿径向安装在风扇组件7和后轴承17之间的风扇叶片的内部，即使电刷51附近安装有电压调节器10，也能提供光滑的进气腔。这样车用交流发电机1的直径和长度能相应地减小。

由于电刷51是能够导电的金属，电刷51与滑环41的接触部分可以减小而不至于影响导电能力，电刷的温度升高也因此而被限制。相应地，电刷51的使用寿命也延长了。尽管滑环41由含碳材料构成，但由于滑环41与电刷的接触面积只是滑环41的整个表面的比较小的一部分，滑环的温度升高问题不足以减少其使用寿命。

现参照图5描述本发明的第二个实施方案，着重描述与第一方案中交流发电机不同的部分。

同时，相同的指示数字表示相同或基本相同的部分，因此省略了关于它们的描述。

电刷架组件由绝缘树脂(如聚苯撑硫)制成，包括由电刷架159与柱状凸起61和电压调节器10的封壳62被浇注在一起形成的组件，电刷架的后表面与轮毂18的前端面相邻，柱状凸起(或滑环盖)61在电刷架159的前端沿轴向延伸。柱状凸起61与风扇支座44的后表面相对，中间有一窄缝，由此，在风扇组件7和后轴承之间形成了一个圆柱形空间S以容纳滑环和电刷。电刷架159与接线端子53铸成一体。

上述方案的交流发电机可用作在建筑物内的发电站中的固定交流发电机，同样，该发电机也可用作发电电动机。

每个电刷都可以有各自的挠性接头，并可采用独立的弹簧片。

电刷架组件52、电压调节器10的封壳62和轴承座(轴承架)60可分别形成，也可将电刷架组件52和电压调节器10加工成一体。

离心式风扇可以用轴流式风扇代替，还可将滑环组件6、风扇组件7和电刷组件8一起安在前端盖11中。

前面有关本发明的叙述，参照特定的实施方案公开了本发明。然而，很显然，在不脱离本文后面所附的权利要求中的总体思想和范围的前提下，还可对特定的实施方案进行一些改进。因此，本发明在此文本中的描述应被视为说明，而没有限定的意味。

Claims

1.一种交流发电机，包括：

含有轴承(17)的机壳(2)；

安装在所述机壳(2)上，包含定子线圈和定子铁芯的定子(3)；

可旋转地放在所述机壳(2)上，包含由轴承(17)支承着的轴(5)、转子铁芯和转子线圈的转子(4)；

由所述轴(5)支承，包含多个环状分布在所述转子(4)端面上的风扇叶片的风扇组件(7)；

径向分布在机壳(2)和转子(4)之间的叶片内，用于建立通向转子线圈的供电线路的连接组件，所述连接组件包含滑环(4)和电刷(5)；

其中，所述连接组件还包括围绕所述轴(5)径向安装在所述风扇组件7和所述轴承(17)之间的所述叶片内的圆筒形部件，其中容纳有滑环(41)和电刷(51)。

2.如权利要求1所述的交流发电机，其特征在于，所述密封部件包括：

旋转部件(46)，从所述转子(4)的所述端面凸出；和

静止部件(61)，从所述机壳(2)延伸面对所述旋转部件(46)，两者之间有一窄缝。

3.如权利要求2所述的交流发电机，其特征在于，所述旋转部件(46)与所述风扇组件(7)安装为一体。

4.如权利要求2所述的交流发电机，其特征在于，所述旋转部件(46)由绝缘材料构成，与所述滑环(41)形成一体。

5.如权利要求3所述的交流发电机，其特征在于，所述旋转部件(46)由绝缘材料构成，与所述滑环(41)形成一体。

6.如权利要求2所述的交流发电机，其特征在于，所述旋转部件(46)包括沿所述轴(5)延伸的柱状凸起，所述静止部件(61)包括电刷架(59)，旋转部件(46)和静止部件(61)在一个轴向上重叠，形成复式密封。

7.如权利要求6所述的交流发电机，其特征在于，所述电刷架包括安装在机壳(2)上的轴承座(60)，用于直接支承所述轴承(17)。

8.如权利要求2所述的交流发电机，其特征在于，还包括复式密封部件(64)，分布在所述旋转部件(46)和所述静止部件(61)之间。

9.如权利要求2所述的交流发电机，其特征在于，所述静止部件(61)包括与其连为一体的电刷架(59)及与所述电刷(51)相连的端子。

10.如权利要求9的交流发电机，还包括电子线路(10)，其特征在于，所述电刷架(39)包括封壳(62)以便于所述电子线路(10)集成在其中。

11.如权利要求10所述的交流发电机，其特征在于，所述电路(10)包括一个电压调节器。

12.如权利要求2所述的交流发电机，其特征在于，所述静止部件(61)与所述轴承(17)的外圆周相接触。

13.如权利要求12所述的交流发电机，其特征在于，所述密封部件被安装在轴承(17)和机壳(2)之间；和，所述静止部件(61)的一端被所述轴承(17)所封闭。

14.如权利要求1所述的交流发电机中，其特征在于，所述电刷(51)包括电刷臂(55)，该部件由弹性金属片制成，被套在所述滑环(41)的外圆周上。

15.如权利要求14所述的交流发电机，其特征在于，所述电刷(51)包括夹片(56)和接触部件，夹片被固定在所述圆筒形部件(61)内某位置，接触部件与所述滑环(41)相接触，被安装在所述电刷臂(55)的某一端。

16.如权利要求14所述的交流发电机，其特征在于，所述电刷(51)包括：固定于圆筒形部件(61)内某位置的夹片(56)和一对接触部件(57、58)，接触部件(57、58)分布在电刷臂(55)的两端并与滑环(41)相接触。

17.如权利要求1所述的交流发电机，其特征在于，所述连接组件还包括另一个滑环(4)和另一个电刷(51)；所述滑环(41)沿所述轴(5)被平行地安装在所述绝缘部件上；和所述电刷(51)也平行安置，以使每个电刷与对应的所述滑环(41)相接触。