CN1152206A - 车用交流发电机 - Google Patents

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Abstract

一种车用交流发电机，具有一对伦德尔型磁极(9)和多个永久磁体(11)，每个磁极(9)有多个爪形极块(9b)。每个永久磁体(11)配置在由周边相邻的爪形极块(9b)的相对侧表面形成的空间中间，且被磁化成使其周边相对端各自的极性与爪形极块的极性相同。每个永久磁体(11)的长度与爪形极块(9b)之间形成的空间的长度之比处在50％至80％的范围。

Description

车用交流发电机
本发明涉及一种车用交流发电机，该发电机具有伦德尔(Lundell)型转子和配置在相邻的磁极爪形极块之间的永久磁体。
例如，JP-A61-85045中给出的常规车用交流发电机具有一个带一对伦德尔型磁极的场转子和一个绕在磁极磁心上的场线圈。在该交流发电机中，永久磁体配置在周边相邻的伦德尔型磁极的爪形极块之间，以通过减少穿过爪形极块的漏磁通而增大输出，从而增大对发电有效的磁通。在该现有技术的车用交流发电机中，每一个永久磁体实际上配置在大致彼此平行的爪形极块的侧表面之间的整个区域，或者说，通过适当确定永久磁体的数目和排列方式来调整永久磁体的磁场强度，使得场电流为零时输出电压不会超过适合电池充电的充电电压。
目前，在许多现代车辆中，车辆的正常电负荷已逐步增加，其与最大电负荷之差已非常小，因此，在许多情况下，对磁场强度进行的上述调整是不须要的，即使是采用强磁体也是如此。采用永久磁体增加了费用。因此须要通过增加输出来抵消由于采用永久磁体而造成的费用增加。现有技术中采用了非常多的永久磁体，或者采用了数目少于上述磁场强度调整所需要的永久磁体。
针对以上问题作出了本发明，因此，本发明的主要目的是提供一种车用交流发电机，该发电机增加了每单位重量永久磁体的输出，并可获得良好的经济效益和耐高速运转的能力。
这种交流发电机包括一个转子和若干永久磁体。转子有一对伦德尔型磁极，每个磁极上设有多个爪形磁块，磁极彼此轴向相对配置，极块彼此衔接。每个永久磁体都配置在周边相邻的爪形磁块的相对侧表面之间，并被磁化，使之能减少穿过爪形极块的漏磁通。每个永久磁体配置在爪形极块的纵向中间部位，其长度与爪形极块长度之比处在50％至80％范围。
由于垂直于转子轴线的爪形极块的截面面积朝着爪形极块末端方向减小，因此爪形极块的磁阻朝着爪形极块末端方向增大。于是，在永久磁体长度与爪形极块侧表面长度之比大于80％的区域中，磁通很难穿过相邻爪形极块的侧表面。由于在所述比例小于50％的区域磁通很容易穿过相邻爪形极块的侧表面，因此磁通能流向无永久磁体的区域。于是，如果将永久磁体配置在漏磁通密度基本上在最大值处展平的区域，并且永久磁体长度与爪形极块长度之比处在50％至80％范围，就能最有效地消除漏磁通，而用于发电的磁通就能增大。
按照本发明第一方面的交流发电机中，将每个永久磁体配置成使其重心与基本上对应于沿脊部方向的相对侧表面之间的中间位置相合。
转子转动时，有一离心力作用在永久磁体上，这时，由离心力造成的负荷也作用在按圆周方向处于永久磁体相对两侧的相邻爪形极块上。由于永久磁体的重心基本上处在相邻爪形极块侧表面的中间，因此由离心力造成的负荷大致均匀地分布到爪形极块上，于是增强了爪形极块耐受转动的强度。
参看以下的详细说明书、所附权利要求书及附图，可以更清楚地了解本发明的其他目的、特点以及本发明有关部件的功能。附图中：
图1是本发明的车用交流发电机的侧剖面图；
图2A是表明爪形极块与永久磁体之间位置关系的解说图；图2B是爪形极块和永久磁体的剖面图；
图3是用于解释漏磁通的爪形极块的平面示意图；
图4是漏磁通密度随着与爪形极块侧表面中间的距离变化的曲线图；
图5是用于说明本发明交流发电机效应的曲线图；
图6是设有永久磁体的交流发电机与不设永久磁体的同等交流发电机输出电流的比较曲线图；
图7A是表明本发明第二实施例的爪形极块与永久磁体之间位置关系的解说图；图7B是该第二实施例的爪形极块和永久磁体的剖面图；
图8A是表明本发明第三实施例的爪形极块与永久磁体之间位置关系的解说图；图8B是该第三实施例的爪形极块和永久磁体的剖面图。
以下参照附图对本发明最佳实施例的车用交流发电机进行说明。
(第一实施例)
车用交流发电机1包括一个作为电枢的定子(将在后面描述)、一个作为产生磁场装置的转子(也将在后面描述)、和一个容纳定子及转子的外壳2。
外壳2包括前盖2A和后盖2B，均用铝模制成，并以多个大头螺栓3和螺帽4在其端面将其彼此连接在一起。
定子包括压在外壳2中固定定位的定子心5和绕在其上的电枢绕组6。
定子心由多层环形薄钢片叠置而成，其内周开有多个槽(未示出)。
电枢绕组6接成Y形或△形，插在定子心5的槽中。转子相对于定子旋转时，在电枢绕组6中产生交流电压。
转子的转轴8上加有从发动机经皮带轮7传来的旋转力，轴8上固定压合有一对伦德尔磁极9，场线圈10绕在伦德尔磁极9上，并有多个永久磁体11固定到该伦德尔磁极9上。
转轴8支承在轴承14和15上转动，轴承14和15分别固定在前盖2A和后2B的支承座12和13上。皮带轮7装在前盖2A外面的轴8的一端，并由一锁紧螺帽16紧紧固定在轴8上。
一对伦德尔磁极9中的每一个都有一个柱形承座9a和多个形成在承座9a外圆周上的爪形极块9b。该对伦德尔磁极9的承座9a分别从场线圈10的相对端压合在绕线架17的腔中，使其爪形极块9b衔接在场线圈10的外圆周上。
场线圈10经引线10a和10b接到两个固定在轴8圆周上的汇流环18和19上。励磁电流从电池(未示出)经两个电刷20和21引入场线圈10，两电刷分别与汇流环18和19的外圆周滑动接触。励磁电流流过场线圈10时，一对伦德尔磁极9之中一个的爪形极块9b成为S极，而另一伦德尔磁极9的爪形极块9b则成为N极。
离心式冷却风扇22通过焊接等方法分别固定在一对伦德尔磁极9的轴向相对端，以在伦德尔磁极9旋转时产生冷却气流。
如图2A和2B所示，永久磁体11配置在相邻爪形极块9b的相对侧表面9c之间，并以粘接等方式牢牢固定就位。将每一永久磁体11磁化成使其周边相对端各自的极性分别与和该周边相对端邻接的爪形极块9b的极性相同。各永久磁体11设置在相邻爪形极块9b之间形成的平行六面体空间的纵向中间部位。永久磁体11的长度与爪形极块9b的侧表面9c的长度之比，其范围在50％至80％之间，最好为65％。永久磁体11配置成使其重心大致在相对侧表面9c之间的平行六面体空间的中间。换句话说，永久磁体11的轴向中间应与周边相邻的爪形极块9b之间的平行六面体空间的轴向中间位置重合，如图2A所示。
一些电器件装在后盖2B的外表面并用端盖24罩住。这些器件包括汇流环18和19、电刷20和21、对电枢绕组6中感应出的交流电进行整流的整流器23、以及用于保持车用交流发电机的端电压在所需限度内的电压调节器(未示出)。
以下说明本实施例的车用交流发电机的工作过程。
发动机通过V形皮带(未示出)和皮带轮7将转动功率传给轴8以驱动转子旋转。励磁电流从电池经电刷20和21及汇流环18和19通入场线圈10，磁化爪形极块9b，使伦德尔型磁极9之一的爪形极块9b成为S极，而另一个伦德尔型磁极9的爪形极块9b成为N极。表示场线圈10产生的磁通的磁力线从一个伦德尔型磁极9的爪形极块9b经过定子心5通向另一个伦德尔型磁极9的爪形极块9b。如果在周边相邻的爪形极块9b之间不安放永久磁体11(如图3所示)，则漏磁通就会穿过周边相邻的爪形极块9b的侧表面9c。
如图4所示，实验给出的测量数据证明，当周边相邻的爪形极块9b之间不安放永久磁体11时，漏磁通密度的最大值出现在相邻爪形极块9b之间的空间的轴向中间，也就是相对于定子心5的轴线中间，并朝着侧表面的相对端急骤下降。
从这些测量数据可以注意到，永久磁体11对减少漏磁通而增加输出的作用并不相应于永久磁体11的量，即使将长度等于爪形极块9b侧表面9c的全部长度的永久磁体11配置在周边相邻的爪形极块9b之间也是如此。
在本实施例中，将永久磁体11配置在相邻爪形极块9b之间的平行六面体空间中漏磁通密度最高的区域，以便更有效地减少漏磁通。更具体说，将长度为m的永久磁体11配置在相邻爪形极块9b之间的长度为1的平行六面体空间的纵向中间部分，从而将该空间，即爪形极块9b的侧表面9c，分成长度为1/2的两个相等部分，如图3所示，而比例m/l则处于50％至80％的范围，如图5所示。
图5示出比输出增量△I/W随比例m/l变化的测量数据，其中△I为输出电流增量，W为永久磁体11的重量，即，△I/W是每单位重量永久磁体11的输出增量△I。由图5明显可见，比例m/l的值处在50％至80％范围时的比输出增量△I/W大于m/l值为100％时的比输出增量△I/W。当比值m/l为65％左右时，比输出增量△I/W达到最大值，该最大值比m/l为100％时的比输出增量△I/W约大40％。输出电流增量△I是因为用了永久磁体11而获得的输出电流的增加，如图6所示。
比值m/l在50％至80％范围的比输出电流增量△I/W基本上展平在最大值的主要原因将在下文说明。
由于垂直于转子轴的爪形极块9b的截面面积朝着末端减小，因此其磁阻增大。于是当比值m/l大于80％时，磁通很难穿过周边相邻的爪形极块9b的侧表面9c。由于在比值m/l小于50％的范围磁通能很容易地穿过周边相邻的爪形极块9b的侧表面9c，因此磁通能够流向不面对永久磁体的区域。由此可知，当比值m/l处在50％至80％范围时，能最有效地消除漏磁通，于是可增加用于发电的有效磁通。考虑到制造公差和永久磁体的老化(磁力下降)，最好取比例m/l的值在55％至75％的范围。
上述第一实施例的效果如下：
该第一实施例增大了比输出增量，即增大了每单位重量永久磁体11的输出增量，因此只须用较轻的永久磁体11，其重量较现有技术中同等车用交流发电机中所用的永久磁体轻20％至50％。于是，第一实施例的车用交流发电机的耐高速运转的能力得以增强。
由于重量较轻使作用在永久磁体11上的离心力较小，因此伦德尔型磁极9的耐转动强度得以增大。
此外，由于减少了永久磁体11的需用量，其费用得以降低，因此该车用交流发电机1的经济效益极佳。
用普通的烧结铁氧体磁体作为永久磁体11较为经济。用比重较烧结铁氧体磁体更小的树脂磁体(resin magnet)作为永久磁体11可减小作用在其上的离心力，从而进一步提高了伦德尔磁极9的耐转动强度。
由于每一块永久磁体11均配置成使其重心大致处于相邻爪形极块9b的相对侧表面9c之间的平行六面体空间的中间，因此由离心力产生的负荷在周边相邻的爪形极块9b上分布均匀，这就提高了伦德尔型磁极9的强度。
(第二实施例)
以下参照图7A和7B描述本发明的第二个实施例。图7A是表明爪形极块9b与永久磁体11之间位置关系的解说图；图7B是永久磁体11和爪形极块9b沿垂直于转子轴的平面剖视的剖面图。
如图7B所示，爪形极块9b有相对的倾斜侧表面9c，其梯形剖面成锥状沿径向朝着内表面；永久磁体11也有相对的倾斜侧表面11a，其梯形剖面成锥状沿径向朝着外表面，且与周边相邻的爪形极块9b之间的空间的剖面相合。
对永久磁体11和爪形极块9b作这样的安排使永久磁体11在转子高速旋转时不致于因离心力而从伦德尔磁极9上径向脱开。
(第三实施例)
以下参照图8A和8B描述本发明的第三个实施例。图8A是表明爪形极块9b与永久磁体11之间位置关系的解说图；图8B是永久磁体11和爪形极块9b的剖面图。
如图8B所示，永久磁体11被树脂壳25罩住，该树脂壳由非磁性树脂模制成。树脂壳25可防止由于爪形极块9b对永久磁体11磨损而可能产生的微粒的飞溅。树脂壳25作为抵抗因车辆振动而造成的冲击的减震器件，可防止永久磁体11碎裂。
在爪形极块9b的相对侧表面9c中形成肩部9f，肩部9f与树脂壳25的外沿啮合住。该肩部9f可防止永久磁体11在转子高速旋转时因离心力的作用而从伦德尔磁极9上径向飞出。
以上参照几个具体实施例对本发明作了描述。但是应当了解，在不违背所附权利要求书中所述的本发明的基本精神和范围下，可对本发明的这些具体实施例作出各种修改。因此很明显，本文以上对本发明的说明只是说明性的，而不是限制性的。

Claims (14)

1.一种车用交流发电机，包括：
转子(8)，具有多个沿周边配置的极块(9b)；和
永久磁体(11)，各配置在相邻两个所述极块(9b)的相对侧表面形成的空间中，且被磁化，以消除穿过爪形极块的漏磁通；
其中每个所述永久磁体(11)都配置在所述空间的纵向中间部分，其长度与所述空间长度之比处在50％至80％的范围。
2.如权利要求1所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述永久磁体(11)都配置在漏磁通密度基本上在最大值处展平的区域。
3.如权利要求1所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述永久磁体(11)都配置成使其重心与所述空间中间位置基本上重合。
4.如权利要求1所述的车用交流发电机，其特征在于，所述转子(8)包括彼此轴向相对配置的一对极心，每个极心有所述极块(9b)的一半，由其延伸而互相衔接。
5.如权利要求4所述的车用交流发电机，其特征在于，所述永久磁体(11)为烧结铁氧体磁体。
6.如权利要求4所述的车用交流发电机，其特征在于，所述永久磁体(11)为树脂磁体。
7.如权利要求4所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述爪形极块(9b)具有相对的倾斜表面，形成梯形剖面的所述空间，该剖面沿径向向外方向成锥状，而每个所述永久磁体(11)也具有梯形剖面，该剖面沿径向朝着外表面成锥状，且与所述空间相合。
8.如权利要求4所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述永久磁体(11)的长度与所述空间长度之比处在55％至75％的范围。
9.如权利要求8所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述永久磁体(11)都配置成使其重心与所述空间中间位置基本上重合。
10.如权利要求9所述的车用交流发电机，其特征在于，所述永久磁体(11)为烧结铁氧体磁体。
11.如权利要求10所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述爪形极块(9b)具有相对的倾斜侧表面，形成在相邻两个所述爪形极块之间的梯形剖面的所述空间，该剖面沿径向向外方向成锥状，而每个所述永久磁体(11)也具有梯形剖面，该剖面沿径向朝着外表面成锥状，且与所述空间相合。
12.如权利要求4所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述永久磁体(11)的长度与所述空间的长度之比为65％。
13.如权利要求12所述的车用交流发电机，其特征在于，所述永久磁体(11)为烧结铁氧体磁体。
14.如权利要求13所述的车用交流发电机，其特征在于，每个所述爪形极块(9b)具有相对的倾斜侧表面，形成在相邻两个所述爪形极块之间的梯形剖面的所述空间，该剖面沿径向向外方向成锥状，而每个所述永久磁体(11)也具有梯形剖面，该剖面沿径向朝着外表面成锥状，且与所述空间相合。
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